CZ2022248A3 - A method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread - Google Patents

A method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread Download PDF

Info

Publication number
CZ2022248A3
CZ2022248A3 CZ2022-248A CZ2022248A CZ2022248A3 CZ 2022248 A3 CZ2022248 A3 CZ 2022248A3 CZ 2022248 A CZ2022248 A CZ 2022248A CZ 2022248 A3 CZ2022248 A3 CZ 2022248A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
spinning
nanofibers
electrode
ribbon
electric field
Prior art date
Application number
CZ2022-248A
Other languages
Czech (cs)
Inventor
Jan Valtera
Valtera Jan Ing., Ph.D.
Ondřej Friedrich
Ondřej Ing. Friedrich
Jaroslav Beran
CSc. Beran Jaroslav prof. Ing.
Martin BĂ­lek
Bílek Martin doc. Ing., Ph.D.
Petr Žabka
Žabka Petr Ing., Ph.D.
David Lukáš
CSc. Lukáš David prof. Ing.
Eva Kuželová-Košťáková
Kuželová-Košťáková Eva doc. Ing. Bc., Ph.D.
Original Assignee
Technická univerzita v Liberci
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technická univerzita v Liberci filed Critical Technická univerzita v Liberci
Priority to CZ2022-248A priority Critical patent/CZ2022248A3/en
Priority to PCT/CZ2023/050023 priority patent/WO2023237139A1/en
Publication of CZ2022248A3 publication Critical patent/CZ2022248A3/en

Links

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0061Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0069Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the spinning section, e.g. capillary tube, protrusion or pin
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0015Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D01D5/003Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion
    • D01D5/0038Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion the fibre formed by solvent evaporation, i.e. dry electro-spinning
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0015Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D01D5/003Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion
    • D01D5/0046Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion the fibre formed by coagulation, i.e. wet electro-spinning
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0061Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0061Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0076Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the collecting device, e.g. drum, wheel, endless belt, plate or grid

Abstract

Při způsobu výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru na zvlákňovací elektrodě (1) se nanovlákna (5) vytvářejí z polymerního roztoku nebo taveniny polymeru ve zvlákňovací oblasti (10) vytvořené na zvlákňovací elektrodě (1) a působením elektrického větru jsou od ní unášena. Ve zvlákňovací oblasti (10) se vytvoří úzký plošný lineární útvar polymerního roztoku, který má konečnou délku a je otevřený ve směru zvlákňování a ve střední části zvlákňovací oblasti (10) se po délce zvlákňovací oblasti (10) vytvoří nadkritická intenzita (E) elektrického pole, při níž se vytvářejí nanovlákna (5), pohybující se od zvlákňovací oblasti (10) v plošném útvaru, kde postupně ztrácejí svoji kinetickou energii a v místě s nulovou kinetickou energií vytvoří nanovlákna (5) lineární virtuální kolektor (7) pro zastavení, shromáždění a zhutnění nanovláken (5) do lineárního nanovlákenného útvaru, tzv. stužky (6) nanovláken, která se odtahuje. Řešení se týká rovněž zařízení k provádění způsobu a zařízení k výrobě nanovlákenné niti.In the method of producing nanofibers by alternating electric spinning of a polymer solution or melt on the spinning electrode (1), the nanofibers (5) are formed from the polymer solution or polymer melt in the spinning area (10) formed on the spinning electrode (1) and are carried away from it by the action of the electric wind . In the spinning region (10), a narrow planar linear polymer solution is formed, which has a finite length and is open in the spinning direction, and in the central part of the spinning region (10), a supercritical electric field intensity (E) is created along the length of the spinning region (10) , during which nanofibers (5) are created, moving from the spinning region (10) in a planar formation, where they gradually lose their kinetic energy, and in a place with zero kinetic energy, nanofibers (5) form a linear virtual collector (7) for stopping, collecting and the compaction of the nanofibers (5) into a linear nanofiber formation, the so-called ribbon (6) of nanofibers, which is pulled away. The solution also relates to a device for carrying out the method and a device for the production of a nanofibrous thread.

Description

Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním, zařízení k provádění tohoto způsobu a zařízení k výrobě nanovlákenné nitiA method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká způsobu výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru na zvlákňovací elektrodě, u něhož se nanovlákna vytvářejí z polymerního roztoku nebo taveniny polymeru ve zvlákňovací oblasti vytvořené na zvlákňovací elektrodě a působením elektrického větru jsou od zvlákňovací oblasti unášena.The invention relates to a method of producing nanofibers by alternating electric spinning of a polymer solution or melt on a spinning electrode, in which nanofibers are formed from a polymer solution or polymer melt in a spinning region created on a spinning electrode and are carried away from the spinning region by the action of electric wind.

Vynález se týká rovněž zařízení k výrobě nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru, u něhož je na zvlákňovací elektrodě připojené ke zdroji střídavého elektrického napětí vytvořena zvlákňovací oblast.The invention also relates to a device for the production of nanofibers by alternating electrical spinning of a polymer solution or melt, in which a spinning region is formed on a spinning electrode connected to a source of alternating electrical voltage.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Při přípravě nanovlákenných nití jsou orientovaná a zakroucená nanovlákna základem pro jejich konstrukci. V současné době byla v oblasti elektrostatického zvlákňování vytvořena řada metod pro získání orientovaných a zakroucených svazků nanovláken, které lze přičíst dvěma hlavním aspektům: a to získání uspořádaných nanovláken zdokonalením sběrného zařízení nebo přidáním pomocné elektrody.In the preparation of nanofibrous threads, oriented and twisted nanofibers are the basis for their construction. Currently, a number of methods have been developed in the field of electrospinning to obtain oriented and twisted bundles of nanofibers, which can be attributed to two main aspects: obtaining ordered nanofibers by improving the collection device or adding an auxiliary electrode.

CN111118677 popisuje výrobu nanovlákenné příze elektrostatickým zvlákňováním. Zařízení obsahuje válcový kolektor, který se skládá z dutiny a hrdla otočného kolem své osy, přičemž průměr horního otvoru hrdla je menší než průměr spodního otvoru dutiny. Uvnitř spodního otvoru dutiny je uložena elektrostatická rotační zvlákňovací elektroda připojená ke zdroji vysokého napětí, do které je přiváděn zvlákňovaný roztok. V horní části dutiny kolektoru jsou do jeho vnitřního prostoru vyústěny přívody tlakového vzduchu a nad nimi je uspořádána protielektroda, která může být uzemněna nebo připojena ke zdroji napětí o opačné polaritě než rotační zvlákňovací elektroda.CN111118677 describes the production of nanofibrous yarn by electrospinning. The device includes a cylindrical collector, which consists of a cavity and a neck rotatable about its axis, the diameter of the upper opening of the neck being smaller than the diameter of the lower opening of the cavity. Inside the bottom opening of the cavity is placed an electrostatic rotating spinning electrode connected to a high voltage source, into which the spinning solution is fed. In the upper part of the collector cavity, compressed air inlets open into its interior, and a counter electrode is arranged above them, which can be grounded or connected to a voltage source with the opposite polarity to the rotating spinning electrode.

Nanovlákna vytvářená na rotační zvlákňovací elektrodě jsou unášena působením elektrostatického pole k protielektrodě a působením proudu vzduchu jsou unášena nahoru do hrdla válcového kolektoru, které se otáčí v důsledku jeho otáčení a přiváděného proudu vzduchu vzniká vzduchový vír, který zkrucuje nanovlákna do příze, která je dále odváděna a navíjena na cívku.The nanofibers created on the rotating spinning electrode are carried by the action of the electrostatic field to the counter electrode, and by the action of the air current, they are carried up into the neck of the cylindrical collector, which rotates due to its rotation and the supplied air current, an air vortex is created, which twists the nanofibers into a yarn, which is further removed and wound on a spool.

Nanovlákna jsou zkrucována hned po svém vzniku v důsledku rotace zvlákňovací elektrody a následného působení vzduchového víru, takže nedochází před jejich zkroucením k jejich paralelizaci, zkrucování probíhá nerovnoměrně a v důsledku toho je proměnná pevnosti i vzhled.The nanofibers are twisted immediately after their formation due to the rotation of the spinning electrode and the subsequent action of the air vortex, so that they do not parallelize before they are twisted, the twisting takes place unevenly and, as a result, the strength and appearance are variable.

CN111286792 popisuje horizontální uspořádání elektrostatického zvlákňovacího zařízení obsahujícího rotující tryskovou zvlákňovací elektrodu a proti ní souose uspořádanou sběrnou elektrodu tvořenou dutým válcem, přičemž mezi zvlákňovací a sběrnou elektrodou je stejnosměrné elektrické pole. Kolem rotující tryskové zvlákňovací elektrody jsou uspořádány alespoň dvě vzduchové trysky směřující k ose sběrné elektrody. Nanovlákna vytvářená rotující tryskovou zvlákňovací elektrodou jsou v důsledku elektrického větru unášena k dutému válci tvořícímu sběrnou elektrodu, přičemž jsou v důsledku rotace tryskové zvlákňovací elektrody a proudů vzduchu z trysek stočena do příze, která je po průchodu dutinou sběrné elektrody odtahována a navíjena na cívku.CN111286792 describes a horizontal arrangement of an electrospinning device comprising a rotating jet spinning electrode and a collection electrode formed by a hollow cylinder coaxially arranged against it, with a DC electric field between the spinning and collection electrodes. At least two air jets directed towards the axis of the collecting electrode are arranged around the rotating jet spinning electrode. Due to the electric wind, the nanofibers created by the rotating jet spinning electrode are carried to the hollow cylinder forming the collection electrode, and as a result of the rotation of the jet spinning electrode and air currents from the nozzles, they are twisted into a yarn, which, after passing through the cavity of the collection electrode, is pulled out and wound on a spool.

I u tohoto řešení je snahou nanovlákna co nejdříve po jejich vzniku zkroutit bez dosažení jejich paralelizace.Even with this solution, the aim is to twist the nanofibers as soon as possible after their formation without achieving their parallelization.

- 1 CZ 2022 - 248 A3- 1 CZ 2022 - 248 A3

Nevýhodou elektrostatické výroby nanovlákenné příze je v obou případech malá soudržnost příze, nepravidelnost zákrutů a špatná orientace nanovláken.In both cases, the disadvantage of the electrostatic production of nanofiber yarn is the low cohesion of the yarn, the irregularity of the twists and the bad orientation of the nanofibers.

V současné době je dále, například z CN110644080, znám způsob kontinuální přípravy nanovlákenných přízí, u něhož se nanovlákna vytvářejí z polymerního roztoku v tryskové hlavě, z níž jsou nanovlákna odtahována působením vysokorychlostního proudu vzduchu vytvářeného ve Venturiho trubici a trychtýřovitou sběrnou trubicí vstupují do Venturiho sběrného systému, kde jsou napřímena a orientována do orientovaných svazků nanovláken pomocí vakuové adsorpce ve Venturiho sběrném systému. Orientované svazky nanovláken se následně kroutí a aglomerují působením zákrutového zařízení do nanovlákenné příze, která se v dalším kroku navíjí na cívku. Zákrutové zařízení obsahuje vzduchové trysky pro přivádění proudů vzduchu v tangenciálním směru k zakrucované přízi.Currently, a method for the continuous preparation of nanofiber yarns is known, for example from CN110644080, in which the nanofibers are created from a polymer solution in a jet head, from which the nanofibers are pulled away by the action of a high-speed air stream created in a venturi tube and enter the venturi collection tube through a funnel-shaped collection tube system, where they are straightened and oriented into oriented bundles of nanofibers using vacuum adsorption in a Venturi collection system. Oriented bundles of nanofibers are subsequently twisted and agglomerated by the twisting device into a nanofiber yarn, which is wound on a spool in the next step. The twisting device includes air nozzles for supplying air currents in a tangential direction to the twisted yarn.

Z hlediska následného zpracování a použití nanovlákenných přízí nestačí pro splnění současných požadavků na jejich přípravu pouze získat orientovaná vlákna, ale je třeba umět orientovaná vlákna nebo svazky vláken získávat kontinuálně a rovnoměrně na ně aplikovat určitý stupeň zákrutu, aby byla zajištěna délka a stupeň orientace vláken v nanovlákenné přízi. Stávající technologie elektrostatického zvlákňování pro kontinuální výrobu nanovlákenných přízí mají nízkou výtěžnost a nízkou kvalitu vyráběné nanovlákenné příze.From the point of view of the subsequent processing and use of nanofiber yarns, it is not enough to meet the current requirements for their preparation, only to obtain oriented fibers, but it is necessary to be able to obtain oriented fibers or fiber bundles continuously and uniformly apply a certain degree of twist to them in order to ensure the length and degree of orientation of the fibers in nanofibrous yarn. Existing electrospinning technologies for the continuous production of nanofibrous yarns have a low yield and low quality of the produced nanofibrous yarns.

Z EP2913951 B1 je známý způsob pro výrobu polymerních nanovláken, při kterém se polymerní nanovlákna vytváří silovým působením elektrického pole na roztok nebo taveninu polymeru, který se nachází na povrchu zvlákňovací elektrody, přičemž elektrické pole pro zvlákňování se střídavě vytváří mezi zvlákňovací elektrodou, na kterou se přivádí střídavé napětí, a ionty vzduchu a/nebo plynu vytvořenými a/nebo přivedenými do jejího okolí, bez sběrné elektrody, přičemž se dle fáze střídavého napětí na zvlákňovací elektrodě vytváří polymerní nanovlákna s opačným elektrickým nábojem a/nebo s úseky s opačným elektrickým nábojem, která se po svém vzniku v důsledku působení elektrostatických sil shlukují do lineárního útvaru ve formě kabílku nebo pruhu, který se volně pohybuje v prostoru ve směru gradientu elektrických polí směrem od zvlákňovací elektrody.From EP2913951 B1, a method for the production of polymer nanofibers is known, in which the polymer nanofibers are formed by forcefully applying an electric field to a polymer solution or melt located on the surface of a spinning electrode, the electric field for spinning being alternately created between the spinning electrode to which supplies an alternating voltage, and air and/or gas ions created and/or supplied to its surroundings, without a collecting electrode, while depending on the phase of the alternating voltage on the spinning electrode, polymer nanofibers with the opposite electric charge and/or with sections with the opposite electric charge are created, which, after their formation due to the action of electrostatic forces, cluster into a linear formation in the form of a bag or a strip, which moves freely in space in the direction of the gradient of the electric fields away from the spinning electrode.

Zvlákňování metodou střídavého vysokého elektrického napětí představuje další cestu výroby nanovláken, alternativní k elektrostatickému zvlákňování. Dosud však není jeho výtěžnost na takové úrovni, aby se touto metodou dala vyrábět čistě nanovlákenná příze. Proto byl podle EP3303666 navržen způsob výroby jádrové příze s pláštěm z polymerních nanovláken obalujícím nosný lineární útvar tvořící jádro při jeho průchodu zvlákňovací komorou, v níž je pod nosným lineárním útvarem uspořádána zvlákňovací elektroda připojená k přívodu polymerního roztoku a napájená střídavým vysokým napětím, na jejímž čele se ve zvlákňovacím prostoru v nejbližším okolí čela zvlákňovací elektrody a nad ní vytváří nanovlákna, přičemž nosný lineární útvar rotuje ve zvlákňovacím prostoru kolem vlastní osy. Nanovlákna se vytvářejí po obvodu čela zvlákňovací elektrody a ve zvlákňovacím prostoru se formují do duté elektricky neutrální nanovlákenné vlečky, v níž jsou nanovlákna uspořádána do nepravidelné mřížkové struktury, ve které nanovlákna v krátkých úsecích mění svůj směr, přičemž dutá elektricky neutrální nanovlákenná vlečka se účinkem elektrického větru unáší směrem k nosnému lineárnímu útvaru a mění se na plochý pás, který se přivádí k obvodu nosného lineárního útvaru, přičemž pás vytvořený z duté elektricky neutrální nanovlákenné vlečky ovíjí rotující a/nebo balonující nosný lineární útvar ve tvaru šroubovice a vytváří na něm plášť nanovláken, v němž jsou nanovlákna uspořádána do nepravidelné mřížkové struktury, ve které jednotlivá nanovlákna v krátkých úsecích mění svůj směr.Spinning by the alternating high voltage method is another way to produce nanofibers, an alternative to electrostatic spinning. However, its yield is still not at such a level that pure nanofibrous yarn can be produced using this method. Therefore, according to EP3303666, a method of producing a core yarn with a sheath of polymer nanofibers enveloping the supporting linear structure forming the core during its passage through the spinning chamber was proposed, in which a spinning electrode connected to the supply of a polymer solution and powered by alternating high voltage is arranged under the supporting linear structure, at the head of which is in the spinning space in the immediate vicinity of the face of the spinning electrode and nanofibers are formed above it, while the supporting linear structure rotates in the spinning space around its own axis. Nanofibers are formed around the face of the spinning electrode and are formed in the spinning space into a hollow electrically neutral nanofiber tow, in which the nanofibers are arranged in an irregular lattice structure, in which the nanofibers change their direction in short sections, while the hollow electrically neutral nanofiber tow with the effect of electric of the wind drifts towards the support linear structure and turns into a flat belt that is brought to the periphery of the support linear structure, the belt formed from the hollow electrically neutral nanofibrous plume wraps around the rotating and/or ballooning support linear structure in a helix shape and forms a nanofiber sheath on it , in which the nanofibers are arranged in an irregular lattice structure, in which the individual nanofibers change their direction in short sections.

Nanovlákenná vlečka představuje ideální materiál pro plášť jádrové příze, protože vzhledem ke své elektrické neutralitě a nepravidelné mřížkové struktuře, ve které jednotlivá nanovlákna v krátkých úsecích mění svůj směr, je schopna vytvořit pevný plášť obalující jádro příze a netečný ke svému okolí při navinutí a cívku a následném odvíjení při zpracování. Pokud by se však měla z nanovlákenné vlečky vyrábět čistě nanovlákenná příze, byl by problém jednak s nedostatečnýmThe nanofibrous tow represents an ideal material for the sheath of the core yarn, because due to its electrical neutrality and irregular lattice structure, in which the individual nanofibers change their direction in short sections, it is able to form a solid sheath enveloping the core of the yarn and not touching its surroundings during winding and coiling, and subsequent unwinding during processing. However, if a purely nanofibrous yarn were to be produced from the nanofibrous tow, there would be a problem with insufficient

- 2 CZ 2022 - 248 A3 množstvím nanovláken a dále s mřížkovou strukturou vlečky, která nedovoluje paralelizaci nanovláken.- 2 CZ 2022 - 248 A3 by the amount of nanofibers and further with the grid structure of the plume, which does not allow parallelization of the nanofibers.

V současnosti neexistuje uspokojivý způsob výroby nanovlákenné příze s potenciálem pro uplatnění v průmyslu. Současným způsobům přípravy nanovlákenné příze brání v uplatnění nízká produktivita, spolehlivost a omezený výběr materiálů. Jejich výroba je realizována v rámci výzkumných prací pouze v laboratorním měřítku.At present, there is no satisfactory method of producing nanofibrous yarn with the potential for industrial application. Low productivity, reliability and a limited selection of materials prevent the current methods of nanofiber yarn preparation from being applied. Their production is carried out as part of research work only on a laboratory scale.

Klasická příze s trvalým zákrutem se vyrábí například na prstencových nebo rotorových dopřádacích strojích, kde se nejdříve vytvoří stužka paralelních vláken a následně se tato stužka zakroutí, čímž se vytvoří příze s velkou pevností v tahu a rovnoměrným zákrutem. Tímto způsobem však nelze dosud vytvořit přízi z nanovláken.Classic yarn with a permanent twist is produced, for example, on ring or rotor spinning machines, where a ribbon of parallel fibers is first formed and then this ribbon is twisted, creating a yarn with high tensile strength and uniform twist. However, it is not yet possible to create yarn from nanofibers in this way.

Cílem vynálezu je navrhnout způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru, při němž by se nanovlákna vyráběla v dostatečném množství a ze zvlákňovací oblasti byla unášena tak, aby v určitém místě vytvořila stužku nanovláken, v níž by se nanovlákna alespoň částečně paralelizovala, přičemž by měla dostatečnou pevnost umožňující jejich odtahování a navinutí na cívku pro následující užití nebo zpracování do textilních útvarů známými textilními technologiemi.The aim of the invention is to propose a method of producing nanofibers by alternating electrospinning of a polymer solution or melt, in which nanofibers would be produced in sufficient quantity and carried away from the spinning area in such a way as to form a ribbon of nanofibers in a certain place, in which the nanofibers would be at least partially parallelized, while should have sufficient strength to allow them to be pulled off and wound on a coil for subsequent use or processing into textile formations using known textile technologies.

Současně je cílem vynálezu vytvořit zařízení k provádění takového způsobu a zařízení pro výrobu nanovlákenné příze.At the same time, the aim of the invention is to create a device for carrying out such a method and a device for the production of nanofibrous yarn.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem výroby nanovláken z roztoku nebo taveniny polymeru ve střídavém elektrickém poli na zvlákňovací elektrodě, u něhož se nanovlákna vytvářejí z polymerního roztoku nebo taveniny polymeru ve zvlákňovací oblasti vytvořené na zvlákňovací elektrodě a působením elektrického větru jsou od ní unášena, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že ve zvlákňovací oblasti se vytvoří úzký, plošný lineární útvar polymerního roztoku, který má konečnou délku a je otevřený ve směru zvlákňování a vytvoří nadkritická intenzita elektrického pole, při níž se vytvářená nanovlákna od zvlákňovací oblasti pohybují v plošném útvaru, v němž postupně ztrácení svoji kinetickou energii a v místě s nulovou kinetickou energií vytvoří nanovlákna lineární virtuální kolektor, v němž se nanovlákna zastavují, shromažďují a zhutňují do lineárního nanovlákenného útvaru, tzv. stužky nanovláken, která se odtahuje. Takto vytvořená stužka nanovláken má v důsledku vysokého měrného povrchu nanovláken a vazebních sil mezi jednotlivými nanovlákny dostatečnou soudržnost, která umožňuje její navíjení na cívku pro další technologické operace, jako je udělování zákrutu, dloužení, tepelná fixace apod. Udělením zákrutu vzniká ze stužky nanovláken nanovlákenná nit.The aim of the invention is achieved by a method of producing nanofibers from a polymer solution or melt in an alternating electric field on a spinning electrode, in which nanofibers are created from a polymer solution or polymer melt in the spinning region formed on the spinning electrode and are carried away from it by the action of electric wind, while the essence of the invention consists in the fact that in the spinning region a narrow, planar linear structure of the polymer solution is formed, which has a finite length and is open in the direction of spinning, and creates a supercritical electric field intensity, at which the nanofibers created from the spinning region move in a planar structure in which gradually losing its kinetic energy, and at a point with zero kinetic energy, the nanofibers form a linear virtual collector, in which the nanofibers stop, collect and compact into a linear nanofiber formation, the so-called nanofiber ribbon, which pulls away. Due to the high surface area of the nanofibers and the binding forces between the individual nanofibers, the nanofiber ribbon created in this way has sufficient cohesion, which enables it to be wound on a spool for further technological operations, such as twisting, elongation, thermal fixation, etc. By twisting, a nanofiber ribbon is created .

Virtuální kolektor se vytvoří v místě silové rovnováhy elektrických a gravitačních sil působících na vytvořená nanovlákna. Gravitační síly jsou přitom vyvolány hmotností nanovláken a elektrické síly představují součet všech elektrických sil, které na nanovlákna působí, tedy sílu elektrického větru od zvlákňovací elektrody, sílu elektrického větru od jiných nabitých částí zvlákňovacího zařízení, sílu od ionizovaných iontů vzduchu a sílu od opačně nabitých částí nanovláken vytvořených v předchozí půlvlně střídavého elektrického pole.A virtual collector is formed at the point of force balance of electric and gravitational forces acting on the formed nanofibers. Gravitational forces are caused by the weight of the nanofibers, and electric forces represent the sum of all electric forces acting on the nanofibers, i.e. the electric wind force from the spinning electrode, the electric wind force from other charged parts of the spinning device, the force from ionized air ions and the force from oppositely charged parts of nanofibers formed in the preceding half-wave of an alternating electric field.

Podle jednoho alternativního provedení vynálezu je zvlákňovací oblast přímá a z ní vycházející nanovlákna se pohybují v rovinném plošném útvaru, jehož tloušťka odpovídá šířce zvlákňovací oblasti a délka odpovídá délce zvlákňovací oblasti.According to one alternative embodiment of the invention, the spinning region is straight and the nanofibers emerging from it move in a planar planar structure whose thickness corresponds to the width of the spinning region and whose length corresponds to the length of the spinning region.

Pro výrobu většího množství nanovláken lze v další alternativě tohoto provedení vytvořit zvětšením šířky zvlákňovací elektrody zdvojenou zvlákňovací oblast, přičemž nanovlákna vycházející z obou zvlákňovacích oblastí se pohybují v rovinných plošných útvarech, které se veFor the production of a larger amount of nanofibers, in another alternative of this embodiment, a double spinning region can be created by increasing the width of the spinning electrode, while the nanofibers coming from both spinning regions move in planar surface formations, which in

- 3 CZ 2022 - 248 A3 směru pohybu nanovláken od sebe vzdalují. Tímto způsobem se na jedné zvlákňovací elektrodě vytvoří dvě stužky nanovláken, které mohou být dále zpracovávány samostatně, nebo před zpracováním sdruženy.- 3 CZ 2022 - 248 A3 of the direction of movement of the nanofibers move away from each other. In this way, two ribbons of nanofibers are formed on one spinning electrode, which can be further processed separately or combined before processing.

U dalšího alternativního provedení vynálezu je zvlákňovací oblast tvořena částí kruhu na obvodu diskové zvlákňovací elektrody a z ní vycházející nanovlákna se pohybují v rovinném plošném útvaru kolmém na osu otáčení diskové zvlákňovací elektrody, přičemž lineární virtuální kolektor je tvořen částí kruhu.In another alternative embodiment of the invention, the spinning area is formed by a part of a circle on the circumference of the disk spinning electrode, and the nanofibers emerging from it move in a planar plane perpendicular to the axis of rotation of the disk spinning electrode, while the linear virtual collector is formed by a part of the circle.

I u tohoto provedení lze pro výrobu většího množství nanovláken zvětšit šířku zvlákňovací elektrody a vytvořit na ní zdvojenou zvlákňovací oblast, přičemž nanovlákna vycházející z obou zvlákňovacích oblastí se pohybují v kuželových plošných útvarech, které se ve směru pohybu nanovláken od sebe vzdalují až do vytvoření virtuálních kolektorů, kde vytvoří dvě stužky nanovláken, které mohou být dále zpracovávány samostatně, nebo před dalším zpracováním sdruženy.Even in this embodiment, for the production of a larger number of nanofibers, the width of the spinning electrode can be increased and a doubled spinning region can be created on it, while the nanofibers coming from both spinning regions move in conical flat formations that move away from each other in the direction of movement of the nanofibers until virtual collectors are formed , where it creates two ribbons of nanofibers that can be further processed separately or combined before further processing.

Ve všech popsaných provedeních se vytvořená stužka nanovláken navíjí na cívku, přičemž je schopna odvíjení a dalšího zpracování.In all the described embodiments, the formed ribbon of nanofibers is wound on a spool, being capable of unwinding and further processing.

Aby se urychlil výrobní proces, lze podle dalšího alternativního provedení vynálezu udílet stužce nanovláken před jejím navíjením udělovat zákrut, čímž se vytvoří nanovlákenná nit. Zákrut přitom lze udělovat nepravý nebo trvalý.In order to speed up the production process, according to another alternative embodiment of the invention, a twist can be given to the ribbon of nanofibers before it is wound, thereby creating a nanofiber thread. At the same time, the turn can be granted false or permanent.

Podstata zařízení k výrobě nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním k výrobě stužky nanovláken spočívá v tom, že na zvlákňovací oblasti zvlákňovací elektrody je uložen plošný lineární útvar polymerního roztoku, nebo taveniny polymeru, který má konečnou délku a je otevřený ve směru zvlákňování, tedy směru maximálního gradientu elektrického pole, přičemž intenzita elektrického pole ve zvlákňovací oblasti je po její délce nastavena na nadkritickou hodnotu, při níž se vytvářejí nanovlákna, která jsou ve směru maximálního gradientu elektrického pole unášena v plošném útvaru do lineárního virtuálního kolektoru, v němž jsou zastavena a zhutněna do stužky nanovláken, která je zavedena do odtahového a navíjecího zařízení.The essence of the device for the production of nanofibers by alternating electrospinning for the production of a ribbon of nanofibers is that a flat linear structure of a polymer solution or polymer melt is placed on the spinning area of the spinning electrode, which has a finite length and is open in the direction of spinning, i.e. the direction of the maximum gradient of electric field, while the intensity of the electric field in the spinning area along its length is set to a supercritical value, at which nanofibers are created, which are carried in the direction of the maximum gradient of the electric field in a planar formation into a linear virtual collector, where they are stopped and compacted into a ribbon of nanofibers , which is introduced into the towing and winding device.

Zvlákňovací oblast přitom může být podle jednoho alternativního provedení přímá, přičemž maximální gradient elektrického pole směřuje svisle vzhůru, takže vytvořená nanovlákna jsou unášena svisle vzhůru až k virtuálnímu kolektoru.At the same time, according to one alternative embodiment, the fiberization region can be straight, with the maximum gradient of the electric field pointing vertically upwards, so that the formed nanofibers are carried vertically upwards to the virtual collector.

Zvlákňovací elektroda přitom může být tvořena pásovou zvlákňovací elektrodou, nebo lineární zvlákňovací elektrodou tvořenou lineárním flexibilním útvarem, například strunou, tenkým páskem, nebo tenkým řemínkem, na nichž je polymerní roztok jen na zvlákňovací oblasti.At the same time, the spinning electrode can be formed by a strip spinning electrode, or a linear spinning electrode formed by a linear flexible structure, for example a string, a thin tape, or a thin strap, on which the polymer solution is only on the spinning area.

Pokud je lineární flexibilní útvar tvořící zvlákňovací elektrodu složený z několika vzájemně spletených nebo propletených částí, umísťuje se pod zvlákňovací oblastí stínicí lišta, která může krýt i okraje lineárního flexibilního útvaru, takže zvlákňování probíhá pouze na jeho horní straně, otevřené ve směru zvlákňování.If the linear flexible structure forming the spinning electrode is composed of several interlaced or intertwined parts, a shielding bar is placed under the spinning area, which can also cover the edges of the linear flexible structure, so that spinning takes place only on its upper side, open in the spinning direction.

Zvětšením šířky lineárního flexibilního útvaru tvořícího lineární zvlákňovací elektrodu a vhodným nastavením intenzity elektrického pole se dosáhne vytvoření dvou zvlákňovacích oblasti v blízkosti okrajů lineárního flexibilního útvaru. Tyto zvlákňovací oblasti mohou být vytvořeny výstupky na okrajích pásu, nebo okraji tohoto pásu.By increasing the width of the linear flexible structure forming the linear spinning electrode and by suitably setting the intensity of the electric field, the creation of two spinning regions near the edges of the linear flexible structure is achieved. These spinning regions can be formed by protrusions on the edges of the belt, or the edge of the belt.

U dalšího alternativního zařízení je zvlákňovací elektroda tvořena úzkou otočnou diskovou zvlákňovací elektrodou, která dolní částí svého obvodu zasahuje do polymerního roztoku nebo taveniny v zásobníku a na volné části obvodu diskové zvlákňovací elektrody se vytvoří zvlákňovací oblast, která je tvořena částí kruhu, přičemž maximální gradient elektrického pole směřuje odIn another alternative device, the spinning electrode is formed by a narrow rotating disk spinning electrode, which with the lower part of its circumference extends into the polymer solution or melt in the tank, and on the free part of the disk spinning electrode circuit, a spinning area is formed, which is formed by a part of a circle, while the maximum gradient of electric field points from

- 4 CZ 2022 - 248 A3 zvlákňovací oblasti v radiálním směru a nanovlákna jsou unášena v rovinném plošném útvaru, z něhož se ve virtuálním kolektoru vytvoří stužka nanovláken.- 4 CZ 2022 - 248 A3 spinning regions in the radial direction and the nanofibers are entrained in a planar surface formation, from which a ribbon of nanofibers is formed in the virtual collector.

Pro zvýšení množství vyráběných nanovláken je otočná disková zvlákňovací elektroda uložena na společném hřídeli alespoň s jednou další otočnou diskovou zvlákňovací elektrodou.To increase the amount of nanofibers produced, the rotating disk spinning electrode is mounted on a common shaft with at least one other rotating disk spinning electrode.

Zvýšení množství vyráběných nanovláken lze dosáhnout i uspořádáním několika otočných diskových zvlákňovacích elektrod za sebou.An increase in the amount of nanofibers produced can also be achieved by arranging several rotating disc spinning electrodes in a row.

Otočná disková zvlákňovací elektroda má v dalším provedení větší šířku disku, takže na jejích okrajích jsou vytvořeny dvě zvlákňovací oblasti, které jsou tvořeny částí kruhu a maximální gradient elektrického pole vytváří na okrajích diskové zvlákňovací elektrody kuželové plošné útvary, v nichž jsou unášena nanovlákna do virtuálních kolektorů, v nichž se vytvoří stužka vláken, přičemž kuželové plošné útvary nanovláken se od sebe vzdalují a vytvářejí v řezu písmeno „V“.In another embodiment, the rotating disk spinning electrode has a larger disk width, so two spinning regions are formed on its edges, which are formed by a part of a circle, and the maximum gradient of the electric field creates conical surface formations on the edges of the disk spinning electrode, in which the nanofibers are carried into virtual collectors , in which a ribbon of fibers is formed, with the conical planar formations of the nanofibers moving away from each other to form a "V" in cross-section.

Podle dalšího alternativního provedení je zvlákňovací elektroda je tvořena přeplavovací zvlákňovací elektrodou, přičemž zařízení obsahuje zásobník polymerního roztoku, v němž je svisle umístěn přívod polymerního roztoku, na jehož horním konci je uspořádána přeplavovací elektroda, přičemž přívod je vyústěn na jejím horním čele a kolem jeho ústí je vytvořena přeplavovací plocha, která se mírně svažuje od ústí přívodu polymerního roztoku k okraji přeplavovací elektrody a je zakončena obvodovou hranou, která tvoří zvlákňovací oblast přeplavovací zvlákňovací elektrody, na níž se vydlužují nanovlákna, která jsou účinkem elektrického větru ve směru maximálního gradientu elektrického pole unášena zvlákňovacím prostorem v radiálním směru od obvodové hrany přeplavovací elektrody a shromažďují se v místě virtuálního kolektoru, kde se zhutní do hmotného útvaru tvořícího stužku nanovláken, která je z virtuálního kolektoru odtahována v tečném směru k virtuálnímu kolektoru a dále navíjena ní cívku nebo zpracovávána na nit.According to another alternative embodiment, the spinning electrode is made up of an overflow spinning electrode, the device comprising a reservoir of polymer solution in which a supply of polymer solution is vertically placed, at the upper end of which an overflow electrode is arranged, while the supply opens on its upper face and around its mouth an overflow surface is created that slopes slightly from the inlet of the polymer solution to the edge of the overflow electrode and ends with a peripheral edge that forms the spinning region of the overflow spinning electrode, on which the nanofibers are elongated, which are carried by the electric wind in the direction of the maximum gradient of the electric field through the spinning space in the radial direction from the peripheral edge of the overflow electrode and are collected at the point of the virtual collector, where they are compacted into a mass forming a ribbon of nanofibers, which is pulled from the virtual collector in a tangential direction to the virtual collector and further wound into a coil or processed into a thread.

Vytvořená stužka nanovláken je z libovolného z výše uvedených zvlákňovacích zařízení odváděna do zařízení pro výrobu nanovlákenné niti, které obsahuje zakrucovací prostředek pro vytváření nepravého nebo trvalého zákrutu a následně je vedena do navíjecího zařízení a navíjena na cívku.The created ribbon of nanofibers is taken from any of the above-mentioned spinning devices to a device for the production of nanofiber thread, which contains a twisting means for creating a false or permanent twist, and then it is guided to a winding device and wound on a spool.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález bude dále popsán na základě přiložených výkresů, kde značí Obr. 1a rozložení intenzity elektrického pole kolem obvodové části úzké otočné diskové elektrody pro vytváření nanovláken pro běžné zvlákňování, Obr. 1b rozložení intenzity elektrického pole kolem obvodové části úzké otočné diskové elektrody pro vytváření nanovláken pro výrobu stužky nanovláken, Obr. 1c rozložení intenzity elektrického pole na otočné diskové elektrodě s vybráním uprostřed jejího obvodu, Obr. 2a schéma působení maximálního gradientu elektrického pole na obvodu úzké otočné zvlákňovací elektrodě, Obr. 2b, schéma působení maximálního gradientu elektrického pole na širší otočné zvlákňovací elektrodě, Obr. 2c schéma působení maximálního gradientu elektrického pole na otočné zvlákňovací elektrodě s obvodovým vybráním, Obr. 3 schéma výroby nanovláken na úzké otočné diskové zvlákňovací elektrodě pro výrobu stužky nanovláken, Obr. 4 schéma výroby nanovláken na širší otočné diskové zvlákňovací elektrodě pro výrobu dvou stužek nanovláken z jedné obvodové plochy, Obr. 5 schéma výroby nanovláken na dvojici úzkých otočných diskových zvlákňovacích elektrod pro výrobu dvou stužek nanovláken, Obr. 6a schéma uspořádání tří diskových zvlákňovacích elektrod za sebou v náryse, Obr. 6b schéma uspořádání tří diskových zvlákňovacích elektrod v půdoryse, Obr. 7a schéma výroby nanovláken pro stužku nanovláken na pásové zvlákňovací elektrodě v bočním pohledu, 7b schéma výroby nanovláken pro stužku nanovláken na pásové zvlákňovací elektrodě v nárysu, Obr. 8a schéma výroby nanovláken pro výrobu stužky nanovláken na přeplavovací elektrodě v řezu, Obr. 8b pohled na výrobu nanovláken na přeplavovací elektrodě podle Obr. 8a, Obr. 9a schéma výroby nanovláken pro výrobu stužky nanovláken na lineární zvlákňovací elektrodě v řezu A-A z Obr. 9b, který znázorňuje toto uspořádání v čelním pohledu, Obr. 9c znázorňuje detail A z Obr. 9a, na němž je lineárníThe invention will be further described on the basis of the attached drawings, where Fig. 1a distribution of electric field intensity around the peripheral part of a narrow rotating disk electrode for creating nanofibers for conventional spinning, Fig. 1b distribution of the electric field intensity around the peripheral part of the narrow rotating disk electrode for the formation of nanofibers for the production of a ribbon of nanofibers, Fig. 1c distribution of electric field intensity on a rotating disc electrode with a recess in the middle of its circumference, Fig. 2a diagram of the effect of the maximum gradient of the electric field on the circumference of the narrow rotating spinning electrode, Fig. 2b, diagram of the effect of the maximum gradient of the electric field on the wider rotating spinning electrode, Fig. 2c diagram of the effect of the maximum gradient of the electric field on a rotating spinning electrode with a circumferential recess, Fig. 3 diagram of the production of nanofibers on a narrow rotating disk spinning electrode for the production of a ribbon of nanofibers, Fig. 4 diagram of the production of nanofibers on a wider rotating disk spinning electrode for the production of two ribbons of nanofibers from one peripheral surface, Fig. 5 diagram of the production of nanofibers on a pair of narrow rotating disk spinning electrodes for the production of two ribbons of nanofibers, Fig. 6a diagram of the arrangement of three disc spinning electrodes in a row in elevation, Fig. 6b diagram of the arrangement of three disk spinning electrodes in plan view, Fig. 7a is a diagram of the production of nanofibers for a ribbon of nanofibers on a belt spinning electrode in a side view, 7b is a diagram of the production of nanofibers for a ribbon of nanofibers on a belt spinning electrode in elevation, Fig. 8a is a diagram of the production of nanofibers for the production of a ribbon of nanofibers on a cross-sectional electrode, Fig. 8b view of the production of nanofibers on the overflow electrode according to Fig. 8a, Fig. 9a is a diagram of the production of nanofibers for the production of a ribbon of nanofibers on a linear spinning electrode in section A-A from Fig. 9b, which shows this arrangement in a front view, Fig. 9c shows detail A from Fig. 9a, on which is linear

- 5 CZ 2022 - 248 A3 zvlákňovací elektroda s naneseným polymerním roztokem a stínicí lišta, Obr. 10a, 10b schéma výroby nanovláken podle Obr. 9a, 9b s jedním zásobníkem polymerního roztoku, Obr. 11 řez lineární zvlákňovací elektrodou tvořenou páskem s vybráním v centrální části, Obr. 12 řez lineární zvlákňovací elektrodou tvořenou plochým páskem a Obr. 13 znázorňuje schéma zařízení pro výrobu nanovlákenné niti ze stužky nanovláken.- 5 CZ 2022 - 248 A3 spinning electrode with applied polymer solution and shielding strip, Fig. 10a, 10b a diagram of the production of nanofibers according to Fig. 9a, 9b with one reservoir of polymer solution, Fig. 11 section of a linear spinning electrode formed by a strip with a recess in the central part, Fig. 12 a section of a linear spinning electrode formed by a flat strip and Fig. 13 shows a diagram of a device for the production of a nanofibrous thread from a ribbon of nanofibers.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru bude popsán níže. Vzhledem k tomu, že zvlákňování taveniny polymeru probíhá stejně jako zvlákňování roztoku polymeru, bude v dalším popisováno pouze zvlákňování roztoku polymeru.The method of producing nanofibers by alternating electrospinning of a polymer solution or melt will be described below. Since polymer melt spinning proceeds in the same way as polymer solution spinning, only polymer solution spinning will be described in the following.

Pro výrobu nanovláken z polymerního roztoku pro vytvoření stužky nanovláken se využívá technologie zvlákňování ve střídavém elektrickém poli, které je vytvořeno střídavým napětím s amplitudou například 25 až 50 kV v závislosti na geometrii a uspořádání zvlákňovací elektrody 1 při frekvenci například 10 až 1000 Hz. Polymerní roztok je obvykle tvořen roztokem PVB, PCL, PVA, případně dalšími zvláknitelnými roztokyFor the production of nanofibers from a polymer solution to create a ribbon of nanofibers, the technology of spinning in an alternating electric field is used, which is created by an alternating voltage with an amplitude of, for example, 25 to 50 kV, depending on the geometry and arrangement of the spinning electrode 1 at a frequency of, for example, 10 to 1000 Hz. The polymer solution usually consists of a solution of PVB, PCL, PVA, or other spinnable solutions

Při běžném zvlákňování ve střídavém elektrickém poli je snahou vyrobit za jednotku času co největší množství nanovláken, která vznikají po celém pracovním povrchu zvlákňovací elektrody a jsou od zvlákňovací elektrody unášena elektrickým větrem, popřípadě i pomocnými vzduchovými proudy ke kolektoru, který není ani uzemněn, ani připojen ke zdroji elektrického napětí a kterým může být například plošná textilie nebo lineární vlákenný útvar, který po obalení nanovlákenou vlečkou vytvoří jádrovou kompozitní nanovlákenou přízi. K zahájení vytváření nanovláken dochází při kritické hodnotě intenzity elektrického pole, která je rozdílná podle druhu zvlákňovaného polymerního roztoku, hodnoty napětí, kvality plynu ve zvlákňovací komoře a dalších parametrů. Při nižší hodnotě intenzity elektrického pole než kritické se nanovlákna nevytvářejí, nebo jejich tvorba ustává. Proto se při běžném zvlákňování ve střídavém elektrickém poli pomocí konkrétní konstrukce zvlákňovací elektrody používá vyšší intenzita elektrického pole než kritická, tedy nadkritická, která na zvlákňovací elektrodě vytvoří elektrické pole o vysoké intenzitě, aby se vyloučilo nebezpečí přerušení zvlákňovacího procesu, zajistilo se dostatečné vypaření rozpouštědla a zajistil se dostatečně silný elektrický vítr, který dopraví nanovlákna ke kolektoru.During ordinary spinning in an alternating electric field, the aim is to produce the largest possible number of nanofibers per unit of time, which are created over the entire working surface of the spinning electrode and are carried away from the spinning electrode by the electric wind or by auxiliary air currents to the collector, which is neither grounded nor connected to the source of electrical voltage and which can be, for example, a flat textile or a linear fiber formation, which after being wrapped with a nanofiber coating forms a core composite nanofiber yarn. The formation of nanofibers begins at a critical value of the electric field intensity, which is different depending on the type of polymer solution being spun, the value of the voltage, the quality of the gas in the spinning chamber, and other parameters. At a lower value of the electric field intensity than the critical one, nanofibers are not formed, or their formation ceases. Therefore, during ordinary spinning in an alternating electric field, using a specific design of the spinning electrode, a higher electric field intensity than the critical one, i.e. supercritical, is used, which creates a high-intensity electric field on the spinning electrode in order to eliminate the risk of interruption of the spinning process, to ensure sufficient evaporation of the solvent and a sufficiently strong electric wind is provided to transport the nanofibers to the collector.

Rozložení nadkritické intenzity E elektrického pole pro výše uvedené běžné zvlákňování polymerního roztoku Z na úzké otočné diskové zvlákňovací elektrodě 11 je znázorněno na Obr. 1a pro průměr disku 300 mm, tloušťku disku 1 mm, tloušťce vrstvy polymerního roztoku 0,2 mm a amplitudě napětí 50 kV. Nadkritická hodnota intenzity E elektrického pole pro polymerní roztok PVB je rovna nebo větší než 3000 V/mm2. Z obrázku je zřejmé, že nadkritické hodnoty intenzity E elektrického pole je dosaženo v široké oblasti kolem obvodové části disku. Zvlákňování polymerního roztoku Z tedy probíhá na celé obvodové ploše disku a na části čel disku v blízkosti obvodu disku a vytvářená nanovlákna jsou unášena zvlákňovacím prostorem k povrchu neznázorněného kolektoru.The distribution of the supercritical intensity E of the electric field for the aforementioned conventional spinning of the polymer solution Z on the narrow rotating disc spinning electrode 11 is shown in Fig. 1a for a disk diameter of 300 mm, a disk thickness of 1 mm, a polymer solution layer thickness of 0.2 mm, and a voltage amplitude of 50 kV. The supercritical value of the electric field intensity E for the PVB polymer solution is equal to or greater than 3000 V/mm 2 . It is clear from the figure that the supercritical value of the intensity E of the electric field is reached in a wide area around the peripheral part of the disk. Spinning of the polymer solution Z therefore takes place on the entire peripheral surface of the disc and on the part of the disc faces near the disc circumference, and the created nanofibers are carried through the spinning space to the surface of the collector (not shown).

Aby se dosáhlo vytváření nanovláken 5 střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku Z polymeru pro výrobu stužky 6 nanovláken podle vynálezu, je třeba na zvlákňovací elektrodě 1 vytvořit úzkou zvlákňovací oblast 10 pokrytou polymerním roztokem Z, která má konečnou délku a je otevřená ve směru zvlákňování. Zvlákňovací oblast 10 při tom může být přímá, například u pásové, páskové, nebo lankové zvlákňovací elektrody nebo může být tvořena částí kruhu, například u otočné diskové zvlákňovací elektrody 11. Současně je třeba nastavit střídavé elektrické napájení zvlákňovací elektrody na hodnotu, při níž se nadkritická intenzita E elektrického pole na úzké zvlákňovací oblasti 10 příslušné zvlákňovací elektrody 1 vytvoří zejména nad její střední částí, takže ke zvlákňování dochází dominantně ve střední části této zvlákňovací oblasti 10.In order to achieve the formation of nanofibers 5 by alternating electrospinning of the Z polymer solution for the production of the ribbon 6 of nanofibers according to the invention, a narrow spinning area 10 covered with the Z polymer solution, which has a finite length and is open in the spinning direction, must be formed on the spinning electrode 1. The spinning area 10 can be straight, for example in the case of a strip, tape or cable spinning electrode, or it can be formed by a part of a circle, for example in the case of a rotating disc spinning electrode 11. At the same time, the alternating electric power supply of the spinning electrode must be set to a value at which the supercritical the intensity E of the electric field on the narrow spinning region 10 creates the relevant spinning electrode 1 especially above its central part, so that spinning takes place dominantly in the central part of this spinning region 10.

- 6 CZ 2022 - 248 A3- 6 CZ 2022 - 248 A3

Toho se v příkladném provedení dosáhne rozložením nadkritické intenzity E elektrického pole pro zvlákňování polymerního roztoku Z na úzké otočné diskové zvlákňovací elektrodě 11, které je znázorněno na Obr. 1b pro průměr disku 300 mm, tloušťce disku 1 mm, tloušťce vrstvy polymerního roztoku 0,2 mm a amplitudě napětí 30 kV. Ve srovnání s předcházejícím provedením určeným pro běžné zvlákňování se snížením amplitudy napětí oblast nadkritické intenzity E významně zmenšila a je pouze nad střední části obvodové plochy disku. Všechna vytvářená nanovlákna 5 vznikají nad střední částí obvodové plochy disku a jsou od otočné diskové zvlákňovací elektrody 11 unášena v rovinném plošném útvaru, který je kolmý na osu otáčení disku. Nanovlákna 5 se zastaví ve stejné vzdálenosti od zvlákňovací elektrody 11, v místě tzv. virtuálního kolektoru 7 a nejsou unášena dál.This is achieved in an exemplary embodiment by distributing the supercritical intensity E of the electric field for spinning the polymer solution Z on the narrow rotating disk spinning electrode 11, which is shown in Fig. 1b for a disk diameter of 300 mm, a disk thickness of 1 mm, a polymer solution layer thickness of 0.2 mm and a voltage amplitude of 30 kV. Compared to the previous design intended for conventional spinning, with a reduction in the voltage amplitude, the area of supercritical intensity E has significantly decreased and is only above the middle part of the peripheral surface of the disc. All the nanofibers 5 created are created above the central part of the peripheral surface of the disc and are carried away from the rotating disc spinning electrode 11 in a planar surface formation that is perpendicular to the axis of rotation of the disc. The nanofibers 5 stop at the same distance from the spinning electrode 11, in the place of the so-called virtual collector 7, and are not carried further.

To obecně znamená, že na povrchu polymerního roztoku Z se v úzké zvlákňovací oblasti 10 zvlákňovací elektrody 1 začnou vytvářet Taylorovy kužely, ze kterých se účinkem dostatečně silného elektrického pole začnou vydlužovat nanovlákna 5, která jsou působením elektrického větru unášena od zvlákňovací oblasti zvlákňovací elektrody ve směru maximálních hodnot gradientu elektrického pole, tj. v rovině největší hustoty elektrických siločar, v jednom plošném útvaru, přičemž v oblasti, v níž dochází k opakovanému přirozenému zpomalování až zastavování nanovláken, se vytvoří virtuální kolektor 7, tedy místo, kde se nanovlákna shromažďují a zhutňují a vytvářejí tak stužku 6 nanovláken a tato stužka 6 je odtahována. V důsledku periodické změny polarity napájení zvlákňovací elektrody 1 se vytvářená nanovlákna 5 v oblasti virtuálního kolektoru 7 v důsledku ztráty rychlosti zhutní do hmotného útvaru. Protože se tato nanovlákna 5 vytvářejí v jednom plošném útvaru, vznikne vlivem tohoto zhutnění lineární útvar zvaný stužka 6 nanovláken. Plošný útvar nanovláken má tloušťku odpovídající šířce zvlákňovací oblasti, která je úzká a její šířka se pohybuje v intervalu do 5 mm. Délka virtuálního kolektoru 7 odpovídá délce zvlákňovací oblasti 10 na zvlákňovací elektrodě 1.This generally means that Taylor cones begin to form on the surface of the polymer solution Z in the narrow spinning region 10 of the spinning electrode 1, from which, due to the effect of a sufficiently strong electric field, nanofibers 5 begin to elongate, which are carried away from the spinning region of the spinning electrode in the direction of the electric wind of the maximum values of the gradient of the electric field, i.e. in the plane of the greatest density of electric field lines, in one area, while in the area where the repeated natural slowing down to stopping of the nanofibers occurs, a virtual collector 7 is formed, i.e. the place where the nanofibers are collected and compacted and thus create a ribbon 6 of nanofibers, and this ribbon 6 is pulled away. As a result of the periodic change in the polarity of the power supply of the spinning electrode 1, the created nanofibers 5 in the area of the virtual collector 7 are compacted into a material structure due to the loss of speed. Since these nanofibers 5 are formed in one flat structure, a linear structure called a ribbon 6 of nanofibers is created due to this compaction. The flat formation of nanofibers has a thickness corresponding to the width of the spinning area, which is narrow and its width varies in the interval of up to 5 mm. The length of the virtual collector 7 corresponds to the length of the spinning area 10 on the spinning electrode 1.

Pokud zvlákňování probíhá ve vertikální rovině, jak je popsáno výše, je plošný útvar nanovláken 5 rovinný, protože veškeré síly, které na něj působí, působí ve vertikálním směru.If the spinning takes place in a vertical plane as described above, the sheet formation of the nanofibers 5 is planar because all the forces acting on it act in the vertical direction.

Pokud zvlákňování probíhá v rovině skloněné od vertikální roviny, například na obou okrajích pásových nebo páskových elektrod, jsou nanovlákna 5 vytvářena ve směru maximálních hodnot gradientu elektrického pole, tedy v rovině skloněné od vertikální roviny, ale působením gravitačních sil a vzájemných odpudivých sil nanovláken se stejným nábojem, jsou nanovlákna 5 vychylována, takže virtuální kolektor 7 se vytvoří pod plochou gradientu elektrického pole.If the spinning takes place in a plane inclined from the vertical plane, for example on both edges of strip or tape electrodes, nanofibers 5 are created in the direction of the maximum values of the electric field gradient, i.e. in a plane inclined from the vertical plane, but by the action of gravitational forces and mutual repulsive forces of nanofibers with the same charge, the nanowires 5 are deflected so that a virtual collector 7 is formed under the surface of the electric field gradient.

Pokud zvlákňování probíhá vytvářením nanovláken v kuželové ploše, například na obou okrajích široké otočné diskové zvlákňovací elektrody 11, jsou nanovlákna 5 vytvářena ve směru maximálních hodnot gradientu elektrického pole. Rozložení oblastí intenzity E elektrického pole je znázorněno na Obr. 1c na široké otočné diskové zvlákňovací elektrodě 11, se šířkou například 6 mm, na jejímž obvodu je uprostřed vytvořeno vybrání 111, čímž na okrajích obvodu diskové zvlákňovací elektrody vzniknou výstupky 112, na nichž se koncentruje nadkritická intenzita E elektrického pole. Tím se vytvoří dvě zvlákňovací oblasti 110, na každém výstupku 112 jedna. Vzhledem k rozložení nadkritické intenzity E jsou nanovlákna 5 u tohoto provedení unášena ve dvou kuželových plošných útvarech, které se ve směru pohybu nanovláken 5 od sebe vzdalují. Vzdalování napomáhá i to, že nanovlákna 5 vytvářená na obou výstupcích 112 jedné diskové zvlákňovací elektrody 11 mají v konkrétním čase stejný zbytkový elektrický potenciál, takže se vzájemně odpuzují. Navíc na nanovlákna působí gravitační síla, která kuželové plošné útvary deformuje, takže virtuální kolektor 7 se vytvoří pod plochou gradientu elektrického pole.If the spinning takes place by creating nanofibers in a conical surface, for example, on both edges of the wide rotating disc spinning electrode 11, the nanofibers 5 are created in the direction of the maximum values of the electric field gradient. The distribution of regions of electric field intensity E is shown in Fig. 1c on a wide rotating disc spinning electrode 11, with a width of, for example, 6 mm, on the circumference of which a recess 111 is formed in the middle, which creates protrusions 112 on the edges of the circumference of the disc spinning electrode, on which the supercritical intensity E of the electric field is concentrated. This creates two spinning regions 110, one on each projection 112. Due to the distribution of the supercritical intensity E, the nanofibers 5 in this embodiment are carried in two conical flat formations that move away from each other in the direction of movement of the nanofibers 5. The distance is also helped by the fact that the nanofibers 5 formed on both protrusions 112 of one disk spinning electrode 11 have the same residual electrical potential at a specific time, so they repel each other. In addition, the gravitational force acts on the nanofibers, which deforms the conical surface formations, so that the virtual collector 7 is formed under the surface of the electric field gradient.

Pro otočnou diskovou zvlákňovací elektrodu 11 bez obvodového vybrání se bude nadkritická intenzita E elektrického pole koncentrovat na okrajích obvodové plochy disku, takže nanovlákna 5 se budou vytvářet stejně, jak je popsáno výše. Pouze bude třeba přesněji nastavit amplitudu napětí, aby se vytvořilo elektrické pole s nadkritickou intenzitou E v oblasti okrajů obvodové plochy disku.For the rotating disk spinning electrode 11 without a peripheral recess, the supercritical intensity E of the electric field will be concentrated at the edges of the peripheral surface of the disk, so that the nanofibers 5 will be formed as described above. It will only be necessary to set the voltage amplitude more precisely in order to create an electric field with a supercritical intensity E in the region of the edges of the peripheral surface of the disc.

- 7 CZ 2022 - 248 A3- 7 CZ 2022 - 248 A3

Virtuální kolektor 7, tedy místo s koncentrací hustoty nanovláken 5, se vytvoří v místě silové rovnováhy všech elektrických a gravitačních sil působících na vytvořená nanovlákna 5. Elektrické síly představují součet všech elektrických sil, které na nanovlákna 5 působí, tedy sílu elektrického větru od zvlákňovací elektrody 1, sílu elektrického větru od jiných nabitých částí zvlákňovacího zařízení, sílu od ionizovaných iontů vzduchu a přitažlivou sílu od opačně nabitých částí nanovláken 5 vytvořených v předchozí půlvlně střídavého elektrického pole i odpudivou sílu od souhlasně nabitých částí nanovláken 5. Virtuálním kolektorem 7 se rozumí úzká oblast ukončující plošný útvar vytvářených nanovláken 5, kde vytvářená nanovlákna 5 ztrácí svou pohybovou rychlost při pohybu ze zvlákňovací oblasti 10 zvlákňovací elektrody 1. Důvodem jejich zpomalení je přepólování zvlákňovací elektrody 1 v druhé půli periody přiváděného střídavého elektrického napětí. Již vytvořeným nanovláknům 5 unášeným k virtuálnímu kolektoru 7, nebo nanovláknům 5 shromážděným ve virtuálním kolektoru 7, zůstává zbytkový elektrický náboj o polaritě předchozí půlvlny elektrického napětí, takže jsou nyní opačně nabitá vzhledem k aktuální polaritě zvlákňovací elektrody 1. Tímto způsobem se vytváří rozdíl elektrických potenciálů potřebný pro inicializaci a průběh procesu zvlákňování střídavým elektrickým napětím. Při startování zvlákňovacího procesu se elektrický potenciál vytváří mezi polymerním roztokem Z ve zvlákňovací oblasti 10 zvlákňovací elektrody 1 a ionty vzduchu v okolí zvlákňovací elektrody 1.The virtual collector 7, i.e. the place with the density concentration of the nanofibers 5, is formed at the point of force balance of all electric and gravitational forces acting on the created nanofibers 5. The electric forces represent the sum of all the electric forces acting on the nanofibers 5, i.e. the force of the electric wind from the spinning electrode 1, the force of the electric wind from other charged parts of the spinning device, the force from ionized air ions and the attractive force from the oppositely charged parts of the nanofibers 5 created in the previous half-wave of the alternating electric field, as well as the repulsive force from the positively charged parts of the nanofibers 5. The virtual collector 7 means a narrow area terminating the surface formation of the created nanofibers 5, where the created nanofibers 5 lose their movement speed when moving from the spinning area 10 of the spinning electrode 1. The reason for their slowing down is the reversal of the polarity of the spinning electrode 1 in the second half of the period of the supplied alternating electric voltage. The already formed nanofibers 5 carried to the virtual collector 7, or the nanofibers 5 collected in the virtual collector 7, remain with a residual electric charge of the polarity of the previous half-wave electric voltage, so that they are now oppositely charged with respect to the current polarity of the spinning electrode 1. In this way, an electric potential difference is created required for the initialization and progress of the AC spinning process. When starting the spinning process, an electric potential is created between the polymer solution Z in the spinning area 10 of the spinning electrode 1 and the air ions in the vicinity of the spinning electrode 1.

Zpomalování až zastavování nanovláken v oblasti virtuálního kolektoru 7 je dáno změnou polarity přiváděného elektrického napětí, přičemž vzdálenost virtuálního kolektoru 7 od zvlákňovací oblasti 10 zvlákňovací elektrody 1 je dána frekvencí přiváděného elektrického napětí. Vhodná konfigurace zvlákňovací elektrody 1 a vhodné nastavení amplitudy, frekvence a tvaru přiváděného elektrického signálu umožňuje vytváření lineární stužky 6 nanovláken a její rovnoměrný kontinuální odtah mimo zvlákňovací prostor 41 pro další operace. Poloha virtuálního kolektoru 7, tedy místa, kde se stužka 6 nanovláken vytváří, je dána zejména frekvencí a amplitudou přiváděného elektrického napětí. Stabilní vytváření stužky 6 nanovláken je zajištěno vytvořením silové rovnováhy všech elektrických, mechanických a gravitačních sil působících na stužku 6 nanovláken ve střídavém elektrickém poli. Množství vytvářených nanovláken 5 a tedy hmotnost stužky 6 nanovláken závisí na konfiguraci zvlákňovací elektrody 1, na hodnotě intenzity E elektrického pole a velikosti zvlákňovací oblasti 10, tedy povrchu zvlákňovací elektrody 1, na kterém je této intenzity E dosaženo, tedy na hodnotě amplitudy přiváděného střídavého elektrického napětí. Při rovnováze elektrických, gravitačních a mechanických sil je hmotnost stužky 6 nanovláken zajištěna rychlostí odtahu, kterou lze regulovat podle technologických požadavků.The slowing down to stopping of the nanofibers in the area of the virtual collector 7 is determined by changing the polarity of the supplied electric voltage, while the distance of the virtual collector 7 from the spinning area 10 of the spinning electrode 1 is determined by the frequency of the supplied electric voltage. A suitable configuration of the spinning electrode 1 and a suitable setting of the amplitude, frequency and shape of the supplied electrical signal enables the creation of a linear ribbon 6 of nanofibers and its uniform continuous withdrawal outside the spinning space 41 for further operations. The position of the virtual collector 7, i.e. the place where the ribbon 6 of nanofibers is formed, is mainly determined by the frequency and amplitude of the supplied electric voltage. The stable formation of the ribbon of 6 nanofibers is ensured by the creation of a force balance of all electrical, mechanical and gravitational forces acting on the ribbon of 6 nanofibers in an alternating electric field. The amount of created nanofibers 5 and thus the weight of the ribbon 6 of nanofibers depends on the configuration of the spinning electrode 1, on the value of the intensity E of the electric field and the size of the spinning area 10, i.e. the surface of the spinning electrode 1, on which this intensity E is achieved, i.e. on the value of the amplitude of the supplied alternating electric Tension. With the balance of electrical, gravitational and mechanical forces, the weight of the ribbon of 6 nanofibers is ensured by the withdrawal speed, which can be regulated according to technological requirements.

Důležitým prvkem vytváření stužky 6 nanovláken je průběh přiváděného střídavého elektrického napětí. Pro stabilnější tvorbu stužky 6 nanovláken je výhodné zkrátit čas přechodové oblasti mezi kladnou a zápornou půlvlnou elektrického napětí, takže nejvýhodnější je použití obdélníkového nebo alespoň lichoběžníkového průběhu elektrického napětí, kdy jsou přechodové oblasti kratší a výrobní proces je proto stabilnější. U obdélníkového průběhu elektrického napětí je velikost intenzity E elektrického pole v příslušné půlvlně konstantní, u sinusového průběhu se mění.An important element of creating a ribbon of 6 nanofibers is the course of the applied alternating electric voltage. For a more stable formation of the ribbon 6 nanofibers, it is advantageous to shorten the time of the transition region between the positive and negative half-wave of the electric voltage, so it is most advantageous to use a rectangular or at least a trapezoidal course of the electric voltage, when the transition regions are shorter and the production process is therefore more stable. In the case of a rectangular waveform of the electric voltage, the magnitude of the intensity E of the electric field in the respective half-wave is constant, in the case of a sinusoidal waveform it changes.

Zásadní výhodou navrhovaného způsobu výroby nanovláken pro vytvoření stužky 6 nanovláken je homogenita stužky 6 nanovláken, protože vytváření stužky 6 nanovláken ve virtuálním kolektoru 7 není ovlivněno žádnými třecími silami, které by homogenitu ovlivňovaly. Homogenita vytvářené stužky 6 nanovláken je zajištěna neměnností v čase a dostatečným množstvím Taylorových kuželů na povrchu polymerního roztoku ve zvlákňovací oblasti 10 zvlákňovací elektrody 1, ze kterých se účinkem střídavého elektrického pole vytvoří nanovlákna 5. Při dodržení konstantní dodávky polymerního roztoku na povrch zvlákňovací elektrody 1 ve zvlákňovací oblasti je počet Taylorových kuželů konstantní, což vede k vytváření konstantního množství nanovláken 5 a tedy k dosažení stejnoměrné stužky 6 nanovláken.The fundamental advantage of the proposed method of manufacturing nanofibers for the creation of the ribbon 6 of nanofibers is the homogeneity of the ribbon 6 of nanofibers, because the creation of the ribbon 6 of nanofibers in the virtual collector 7 is not affected by any frictional forces that would affect the homogeneity. The homogeneity of the created ribbon 6 of nanofibers is ensured by invariance over time and a sufficient amount of Taylor cones on the surface of the polymer solution in the spinning region 10 of the spinning electrode 1, from which nanofibers 5 are formed due to the effect of an alternating electric field. of the spinning area, the number of Taylor cones is constant, which leads to the creation of a constant amount of nanofibers 5 and thus to the achievement of a uniform ribbon of 6 nanofibers.

Stužka 6 nanovláken drží pohromadě v důsledku vysokého měrného povrchu nanovláken 5 a mezimolekulárních vazebních sil mezi jednotlivými dotýkajícími se nanovlákny 5. Dalším důvodem je přirozené zapletení kladně a záporně nabitých úseků nanovláken 5 v oblasti virtuálního kolektoru 7. Soudržnost stužky 6 nanovláken umožňuje její navíjení na cívku pro dalšíThe ribbon 6 of nanofibers holds together due to the high specific surface area of the nanofibers 5 and the intermolecular binding forces between individual touching nanofibers 5. Another reason is the natural entanglement of the positively and negatively charged sections of the nanofibers 5 in the region of the virtual collector 7. The cohesion of the ribbon 6 of nanofibers allows it to be wound on a coil for the next

- 8 CZ 2022 - 248 A3 technologické operace, jako je udělování zákrutu, dloužení, tepelná fixace apod. Udělením zákrutu vzniká ze stužky 6 nanovláken nanovlákenná nit.- 8 CZ 2022 - 248 A3 technological operations, such as twisting, stretching, heat fixation, etc. By twisting, a ribbon of 6 nanofibers is created into a nanofiber thread.

Při detailním pohledu stužka 6 nanovláken v oblasti virtuálního kolektoru 7 kmitá v důsledku změny polarity střídavého elektrického napětí, změnami elektrického pole vyvolaných změn elektrického větru a gravitace. Při každém takovém pohybu se případně nezhutněná, tj nedostatečně fixovaná nebo nedostatečně zapletená nanovlákna 5 přimknou k povrchu stužky 6 nanovláken, odkud se již v důsledku vysokého měrného povrchu, vzájemného zapletení a mezimolekulárních vazebních sil mezi jednotlivými nanovlákny 5 neoddělí.When viewed in detail, the ribbon 6 of nanofibers in the area of the virtual collector 7 oscillates due to the change in the polarity of the alternating electric voltage, the changes in the electric field caused by the changes in the electric wind and gravity. During each such movement, possibly uncompacted, i.e. insufficiently fixed or insufficiently entangled, nanofibers 5 stick to the surface of the ribbon 6 of nanofibers, from where they no longer separate due to the high specific surface area, mutual entanglement and intermolecular binding forces between individual nanofibers 5.

Hmotnost stužky 6 nanovláken po její délce narůstá, a tím se mění poměr elektrických a gravitačních sil. Proto se u dlouhých zvlákňovacích oblastí, nebo u několika zvlákňovacích oblastí, které se opakují za sebou a přes které prochází jedna stužka 6 nanovláken, vytváří proměnné elektrické pole některým ze známých způsobů, například stíněním okolí nad vytvářenou stužkou 6 nanovláken, nebo stíněním zvlákňovací elektrody 1, nebo proměnným stíněním okolí v místě nad vytvářenou stužkou 6 nanovláken. Cílem je přizpůsobit intenzitu elektrického pole proměnné hmotnosti stužky 6 nanovláken. Tedy například v místech s vyšší hmotností stužky 6 nanovláken zvýšit intenzitu elektrického pole.The weight of the ribbon of 6 nanofibers increases along its length, and thus the ratio of electric and gravitational forces changes. Therefore, for long spinning regions, or for several spinning regions that are repeated in succession and through which one ribbon of 6 nanofibers passes, a variable electric field is created by any of the known methods, for example by shielding the environment above the created ribbon of 6 nanofibers, or by shielding the spinning electrode 1 , or by variable shielding of the surroundings in the place above the created ribbon of 6 nanofibers. The goal is to adapt the intensity of the electric field to the variable weight of the ribbon of 6 nanofibers. So, for example, in places with a higher weight of the ribbon of 6 nanofibers, increase the intensity of the electric field.

Způsob výroby nanovlákenné niti spočívá v zakrucování připravené stužky 6 nanovláken buď nepravým, nebo trvalým zákrutem. Při zakrucování nepravým zákrutem prochází stužka nanovláken 6 mezi dvěma svěrnými místy, mezi kterými je umístěno zákrutové ústrojí, tvořené například krutnou trubkou. Stužce 6 nanovláken je udílen zákrutovým ústrojím nepravý zákrut, který se za zákrutovým ústrojím rozkrucuje, přičemž vzhledem k vysokému měrnému povrchu nanovláken 5 a vazebním silám mezi jednotlivými nanovlákny 5 se na nanovlákenné niti zachovává poměrně vysoký stupeň zákrutu jako zbytkový zákrut.The method of manufacturing the nanofiber thread consists in twisting the prepared ribbon of 6 nanofibers with either a false twist or a permanent twist. When twisting with a false twist, the ribbon of nanofibers 6 passes between two clamping points, between which a twisting device is placed, consisting of, for example, a twisting tube. The ribbon 6 of nanofibers is given a false twist by the twist device, which is twisted behind the twist device, while due to the high specific surface of the nanofibers 5 and the binding forces between the individual nanofibers 5, a relatively high degree of twist is preserved on the nanofiber thread as a residual twist.

Stužku nanovláken lze podrobit i trvalému zákrutu.The ribbon of nanofibers can also be subjected to a permanent twist.

Udělování zákrutu stužce 6 nanovláken lze provádět před jejím navíjením na cívku návazně na výrobu stužky 6 nanovláken, nebo dodatečně běžnými způsoby, kdy lze stužce 6 nanovláken udělit větší zákrut k dosažení výsledné vyšší pevnosti vyrobené niti, která bude ještě lépe zpracovatelná klasickými textilními technologiemi na textilní výrobky.Giving the twist to the 6 nanofiber ribbon can be done before winding it on the spool, following the production of the 6 nanofiber ribbon, or additionally by conventional methods, where the 6 nanofiber ribbon can be given a greater twist to achieve a higher strength of the produced thread, which will be even better processed by classic textile technologies on textile Ware.

Nanovlákenné nitě a z nich vyrobené textilní výrobky mohou sloužit jako nosiče léčiv, nebo jiných biologicky aktivních látek pro uplatnění v medicíně a biomedicíně, například ve formě biologických sond, kožních krytů, graftů, tkáňových nosičů, tzv. scafoldů, obvazů, chirurgických a ústních nití apod. Dále mohou být nanovlákenné nitě/příze využity pro filtrační prostředky, například pro výrobu cívkových filtrů.Nanofiber threads and textile products made from them can serve as carriers of drugs or other biologically active substances for use in medicine and biomedicine, for example in the form of biological probes, skin covers, grafts, tissue carriers, so-called scaffolds, bandages, surgical and oral threads, etc. Furthermore, nanofibrous threads/yarns can be used for filter media, for example for the production of coil filters.

Zařízení k provádění výše popsaného způsobu, tedy k výrobě nanovláken 5 střídavým elektrickým zvlákňováním polymerního roztoku Z pro výrobu stužky 6 nanovláken obsahuje zvlákňovací elektrodu 1, která je v prvním příkladném provedení tvořena tenkou otočnou diskovou zvlákňovací elektrodou 11 s vodorovnou osou otáčení uloženou dolní částí svého obvodu v zásobníku 2 polymerního roztoku a spřaženou se známým neznázorněným rotačním pohonem.The device for carrying out the method described above, i.e. for the production of nanofibers 5 by alternating electric spinning of polymer solution Z for the production of a ribbon 6 of nanofibers, contains a spinning electrode 1, which in the first exemplary embodiment is formed by a thin rotating disk spinning electrode 11 with a horizontal axis of rotation placed in the lower part of its circumference in reservoir 2 of the polymer solution and coupled with a known rotary drive (not shown).

Disková zvlákňovací elektroda 11 se v dále popisovaném příkladném provedení otáčí kolem horizontální osy a je připojena ke zdroji 3 střídavého vysokého napětí, například s efektivní hodnotou napětí 35 kV a frekvenci 50 Hz a při svém otáčení vynáší na svém obvodu polymerní roztok. Efektivní hodnota napětí ani frekvence nejsou však omezující a lze použít jiné vhodné hodnoty. Okolí volné části obvodu diskové zvlákňovací elektrody 11 ve zvlákňovací komoře 4 se nazývá zvlákňovací prostor 41, v němž je na zvlákňovací elektrodě 11 vytvořena zvlákňovací oblast 110. Po přivedení zvlákňovaného polymerního roztoku Z na zvlákňovací oblast 110 na volné části obvodu diskové zvlákňovací elektrody 11 se při zvlákňování střídavým napětím začnou ve střední části zvlákňovací oblasti 110 vytvářet na povrchu polymerního roztoku Taylorovy kužely,The disc spinning electrode 11 in the exemplary embodiment described below rotates around a horizontal axis and is connected to a source 3 of alternating high voltage, for example with an effective voltage value of 35 kV and a frequency of 50 Hz, and when it rotates, it carries out a polymer solution on its circumference. However, neither the rms voltage nor the frequency is limiting and other suitable values may be used. The vicinity of the free part of the circumference of the disc spinning electrode 11 in the spinning chamber 4 is called the spinning space 41, in which the spinning region 110 is formed on the spinning electrode 11. After supplying the spun polymer solution Z to the spinning region 110 on the free part of the circumference of the disc spinning electrode 11, spinning with alternating voltage will begin to form Taylor cones on the surface of the polymer solution in the central part of the spinning region 110,

- 9 CZ 2022 - 248 A3 ze kterých se účinkem silného elektrického pole vydlužují nanovlákna 5, která stoupají radiálně ze zvlákňovací oblasti 110 od obvodu diskové zvlákňovací elektrody 11 a jsou účinkem elektrického větru unášena v jednom rovinném útvaru směrem od volné části jejího obvodu ve směru maximálního gradientu vytvářených elektrických polí, přičemž v oblasti, v níž dochází k opakovanému přirozenému zpomalování až zastavování nanovláken, se nad zvlákňovací oblastí 110 kolem obvodu diskové zvlákňovací elektrody 11 vytvoří virtuální kolektor 7, tedy místo, kde se nanovlákna 5 shromažďují, zhutní se do hmotného útvaru a jsou odtahována ve formě stužky 6 nanovláken.- 9 CZ 2022 - 248 A3 from which the nanofibers 5 are elongated due to the effect of a strong electric field, which rise radially from the spinning region 110 from the circumference of the disk spinning electrode 11 and are carried by the electric wind in one plane formation away from the free part of its circumference in the direction of the maximum gradient of the generated electric fields, while in the area where the repeated natural slowing down to stopping of the nanofibers occurs, a virtual collector 7 is formed above the spinning area 110 around the circumference of the disk spinning electrode 11, i.e. the place where the nanofibers 5 are collected, compacted into a material structure and are pulled away in the form of a ribbon of 6 nanofibers.

Virtuální kolektor 7 se vytvoří v místě silové rovnováhy elektrických a gravitačních sil působících na vytvořená nanovlákna 5. Virtuálním kolektorem 7 se rozumí oblast v okolí diskové zvlákňovací elektrody 11, kde vytvářená nanovlákna 5 ztrácí svou kinetickou energii při pohybu od povrchu diskové zvlákňovací elektrody 11. Důvodem jejich zastavení je přepólování diskové zvlákňovací elektrody 11 v každé druhé půli periody přiváděného střídavého elektrického napětí. Vytvořeným nanovláknům 5 zůstává zbytkový elektrický náboj o polaritě předchozí půlvlny elektrického napětí, takže jsou nyní opačně nabitá vzhledem k aktuální polaritě diskové zvlákňovací elektrody 11. Tímto způsobem se vytváří rozdíl elektrických potenciálů potřebný pro inicializaci a průběh procesu zvlákňování střídavým elektrickým napětím.The virtual collector 7 is formed in the place of the balance of the electric and gravitational forces acting on the formed nanofibers 5. The virtual collector 7 means the area around the disc spinning electrode 11, where the created nanofibers 5 lose their kinetic energy when moving from the surface of the disc spinning electrode 11. The reason their stopping is the reversal of the polarity of the disk spinning electrode 11 in every second half of the period of the supplied alternating electric voltage. The created nanofibers 5 remain with a residual electric charge of the polarity of the previous half-wave of electric voltage, so that they are now oppositely charged with respect to the current polarity of the disk spinning electrode 11. In this way, the electric potential difference necessary for the initialization and progress of the spinning process with an alternating electric voltage is created.

Pro konkrétní zvlákňovaný roztok při konstantním průměru diskové zvlákňovací elektrody 11 a konstantní rychlosti jejího otáčení lze místo vzniku virtuálního kolektoru 7 ovlivňovat frekvencí přiváděného střídavého elektrického napětí a jeho velikostí.For a specific spinning solution, with a constant diameter of the disk spinning electrode 11 and a constant speed of its rotation, the place of creation of the virtual collector 7 can be influenced by the frequency of the supplied alternating voltage and its magnitude.

Podle technologických požadavků na zvlákňování zpracovávaného polymerního roztoku a hmotnost stužky 6 nanovláken lze měnit intenzitu E elektrického pole, a to konfigurací diskové zvlákňovací elektrody 11, tj. změnou průměru disku, tloušťky disku, reliéfu povrchu obvodové části disku, změnou rychlosti a směru otáčení disku a rychlosti odtahování stužky 6 nanovláken z virtuálního kolektoru 7. Je však třeba dbát na to, aby na obvodu diskové zvlákňovací elektrody 11 nezasychal polymerní roztok Z.According to the technological requirements for spinning the processed polymer solution and the weight of the ribbon 6 nanofibers, the intensity E of the electric field can be changed by configuring the disc spinning electrode 11, i.e. by changing the diameter of the disc, the thickness of the disc, the relief of the surface of the peripheral part of the disc, by changing the speed and direction of rotation of the disc and of the pulling speed of the ribbon 6 of nanofibers from the virtual collector 7. However, care must be taken to ensure that the polymer solution Z does not dry on the circumference of the disk spinning electrode 11.

Ve znázorněném provedení se disková zvlákňovací elektroda 11 otáčí proti směru odtahování stužky 6 nanovláken. Při tomto provedení dochází k podélné orientaci nanovláken 5 ve stužce 6 a k jejich částečné paralelizaci, přičemž změnou poměru rychlosti otáčení diskové zvlákňovací elektrody 11 a odtahové rychlosti stužky 6 nanovláken lze tyto vlastnosti měnit podle požadavků na další využití stužky 6 nanovláken. Diskovou zvlákňovací elektrodou 11 lze otáčet i ve směru shodném se směrem odtahování stužky 6 nanovláken, v tomto případě bude paralelizace nanovláken 5 ve stužce 6 nanovláken menší a nanovlákna 5 nebudou tolik podélně orientována.In the illustrated embodiment, the disc spinning electrode 11 rotates against the direction of pulling off the ribbon 6 of nanofibers. In this embodiment, there is a longitudinal orientation of the nanofibers 5 in the ribbon 6 and their partial parallelization, while by changing the ratio of the speed of rotation of the disk spinning electrode 11 and the withdrawal speed of the ribbon 6 of nanofibers, these properties can be changed according to the requirements for the further use of the ribbon 6 of nanofibers. The disk spinning electrode 11 can also be rotated in the same direction as the pulling direction of the ribbon 6 of nanofibers, in this case the parallelization of the nanofibers 5 in the ribbon 6 of nanofibers will be smaller and the nanofibers 5 will not be so longitudinally oriented.

V rámci ověřování výrobních možností byly zkoušeny diskové zvlákňovací elektrody o průměrech do 500 mm a tloušťce do 5 mm při rychlosti otáčení od 10 do 30 min-1. Střídavé elektrické pole bylo tvořeno střídavým napětím s amplitudou 20 až 50 kV v závislosti na geometrii a uspořádání zvlákňovací elektrody 1 při frekvenci 10 až 100 Hz. Polymerní roztok Z je obvykle tvořen roztokem PVB, PCL, PVA, případně dalšími polymerními roztoky zvláknitelnými ve střídavém elektrickém poli.As part of the verification of production possibilities, disc spinning electrodes with diameters up to 500 mm and thickness up to 5 mm were tested at rotation speeds from 10 to 30 min -1 . The alternating electric field was formed by an alternating voltage with an amplitude of 20 to 50 kV depending on the geometry and arrangement of the spinning electrode 1 at a frequency of 10 to 100 Hz. Polymer solution Z usually consists of a solution of PVB, PCL, PVA, or other polymer solutions spinnable in an alternating electric field.

Tenká otočná disková zvlákňovací elektroda 11 je v řezu znázorněna na Obr. 1b a 2a, a v pohledu na Obr. 3, z nichž je zřejmé, že nanovlákna 5 vytvářená na obvodu elektrody 11 jsou od ní unášena v radiálním směru, tedy kolmo na její osu otáčení ve směru maximálního gradientu elektrický sil, který je znázorněn šipkou.The thin rotating disc spinning electrode 11 is shown in section in Fig. 1b and 2a, and in view of Fig. 3, from which it is clear that the nanofibers 5 formed on the periphery of the electrode 11 are carried away from it in the radial direction, i.e. perpendicular to its axis of rotation in the direction of the maximum electric force gradient, which is shown by the arrow.

Na Obr. 2b je znázorněn řez otočnou diskovou zvlákňovací elektrodou 11 o větší tloušťce, například 6 mm, kde se na každém okraji diskové zvlákňovací elektrody 11 vytvoří jedna zvlákňovací oblast 110, v níž dochází k tvorbě Taylorových kuželů. V pohledu je tato elektroda znázorněna na Obr, 4. Nanovlákna 5 jsou vytvářena na obou okrajích a účinkem elektrického větru jsou od nich unášena ve směru maximálních hodnot gradientu elektrického pole, které jsouIn Fig. 2b shows a cross-section of a rotating disk spinning electrode 11 with a greater thickness, for example 6 mm, where one spinning area 110 is formed on each edge of the disk spinning electrode 11, in which Taylor cones are formed. In view, this electrode is shown in Fig. 4. Nanofibers 5 are created on both edges and due to the effect of the electric wind, they are carried away from them in the direction of the maximum values of the electric field gradient, which are

- 10 CZ 2022 - 248 A3 znázorněny šipkami, a vytvářejí dva kuželové plošné útvary, které se od sebe vzdalují, jak je znázorněno na Obr. 4. Navíc mají nanovlákna 5 vyráběná na obou okrajích diskové zvlákňovací elektrody 11 stejný zbytkový elektrický potenciál, takže mají tendenci se odpuzovat a vzájemně se nespojovat, což dále napomáhá vzdalování obou kuželových plošných útvarů. Z řezu na Obr. 2b i z pohledu na Obr. 4 je zřejmé, že nanovlákna 5 jsou od diskové zvlákňovací elektrody 11 unášena ve tvaru písmene „V“, přičemž jejich dráha je kolmá na povrch hladiny polymerního roztoku v oblasti vytváření nanovláken. Nanovlákna 5 nejsou tedy od povrchu diskové zvlákňovací elektrody 11 unášena v rovinných plošných útvarech, ale ve dvou kuželových plošných útvarech, které se směrem od povrchu diskové zvlákňovací elektrody 11 od sebe vzdalují, takže vzájemná vzdálenost virtuálních kolektorů 7 je větší, než tloušťka diskové zvlákňovací elektrody 11, jak je znázorněno na Obr. 4. Navíc na nanovlákna 5 působí gravitační síla, která kuželové plošné útvary deformuje, takže virtuální kolektor 7 se vytvoří pod plochou gradientu elektrického pole. Obě stužky 6 nanovláken vytvářené ve virtuálních kolektorech 7 mají stejné vlastnosti, jak je popsáno výše a lze je dále navíjet samostatně, nebo sdružit a navíjet společně, nebo je přivést do zařízení pro výrobu nanovlákenné příze, které bude popsáno později.- 10 CZ 2022 - 248 A3 shown by arrows, and create two conical flat formations that move away from each other, as shown in Fig. 4. In addition, the nanofibers 5 produced at both edges of the disc spinning electrode 11 have the same residual electrical potential, so they tend to repel each other and not connect to each other, further aiding the distance of the two conical planar formations. From the section in Fig. 2b and from the view of Fig. 4, it is clear that the nanofibers 5 are carried away from the disk spinning electrode 11 in the shape of the letter "V", while their path is perpendicular to the surface of the polymer solution in the area of the formation of nanofibers. The nanofibers 5 are therefore not carried away from the surface of the disk spinning electrode 11 in planar flat formations, but in two conical flat formations that move away from each other in the direction from the surface of the disk spinning electrode 11, so that the mutual distance of the virtual collectors 7 is greater than the thickness of the disk spinning electrode 11, as shown in FIG. 4. In addition, the gravitational force acts on the nanofibers 5, which deforms the conical surface formations, so that the virtual collector 7 is formed under the surface of the electric field gradient. Both ribbons 6 of nanofibers produced in virtual collectors 7 have the same properties as described above and can be further wound separately, or bundled and wound together, or brought to a device for the production of nanofiber yarn, which will be described later.

Široká disková zvlákňovací elektroda 11 může být dále zdokonalena tím, že uprostřed obvodové plochy se vytvoří vybrání 111, takže na okrajích obvodové plochy sousedících s čely vzniknou výstupky 112, na nichž se koncentruje intenzita E elektrického pole, čímž se vytvoří dvě zvlákňovací oblasti 110. Vzhledem k tomu, že na výstupcích 112 se koncentruje intenzita E elektrického pole, tak ve srovnání s předcházejícím provedením široké diskové zvlákňovací elektrody 11 jsou zvlákňovací oblasti 110 s nadkritickou intenzitou elektrického pole zúženy. Nanovlákna 5 jsou i u tohoto provedení unášena od povrchu diskové zvlákňovací elektrody 11 ve dvou kuželových plošných útvarech ve směru maximálních gradientů elektrických sil, které jsou znázorněny šipkami. Kuželové plošné útvary se směrem od povrchu diskové zvlákňovací elektrody 11 od sebe vzdalují, takže vzájemná vzdálenost virtuálních kolektorů 7 je větší, než tloušťka diskové zvlákňovací elektrody 11. Tomu napomáhají i odpudivé síly mezi stejně nabitými nanovlákny 5. Navíc na nanovlákna 5 působí gravitační síla, která kuželové plošné útvary deformuje, takže virtuální kolektor 7 se vytvoří pod plochou gradientu elektrického pole. Obě stužky 6 nanovláken mají stejné vlastnosti, jak je popsáno výše a lze je dále navíjet samostatně, nebo sdružit a navíjet společně, nebo je přivést do zařízení pro výrobu nanovlákenné příze, které bude popsáno později.The wide disc spinning electrode 11 can be further improved by forming a recess 111 in the middle of the peripheral surface, so that the edges of the peripheral surface adjacent to the faces form protrusions 112 on which the intensity E of the electric field is concentrated, thereby creating two spinning regions 110. to the fact that the intensity E of the electric field is concentrated on the protrusions 112, so compared to the previous embodiment of the wide disk spinning electrode 11, the spinning regions 110 with a supercritical electric field intensity are narrowed. Even in this embodiment, the nanofibers 5 are carried away from the surface of the disk spinning electrode 11 in two conical planar formations in the direction of the maximum gradients of electrical forces, which are shown by arrows. The conical surface formations move away from each other in the direction of the surface of the disk spinning electrode 11, so that the mutual distance of the virtual collectors 7 is greater than the thickness of the disk spinning electrode 11. This is also helped by the repulsive forces between the equally charged nanofibers 5. In addition, the nanofibers 5 are affected by the force of gravity, which deforms the conical surface formations so that the virtual collector 7 is formed under the surface of the electric field gradient. Both ribbons 6 of nanofibers have the same properties as described above and can be further wound separately, or bundled and wound together, or fed into a nanofiber yarn production device, which will be described later.

Další alternativní uspořádání zařízení pro výrobu stužky 6 nanovláken je znázorněno na Obr. 5, kde jsou na společném hřídeli uspořádány dvě diskové zvlákňovací elektrody 11. Každá z diskových zvlákňovacích elektrod 11 pracuje stejně jako samostatná disková zvlákňovací elektroda 11, jak je znázorněno na Obr. 1 a popsáno výše. Zařízení vyrábí dvě stužky 6 nanovláken, které mohou být navíjeny samostatně, nebo sdružovány a navíjeny společně. Ze znázorněného uspořádání je zřejmé, že počet diskových zvlákňovacích elektrod 11 může být větší.Another alternative arrangement of the device for the production of a ribbon of 6 nanofibers is shown in Fig. 5, where two disk spinning electrodes 11 are arranged on a common shaft. Each of the disk spinning electrodes 11 works the same as a separate disk spinning electrode 11, as shown in FIG. 1 and described above. The device produces two ribbons of 6 nanofibers that can be wound individually or bundled and wound together. It is clear from the arrangement shown that the number of disc spinning electrodes 11 can be greater.

U tohoto provedení může být pro každou diskovou zvlákňovací elektrodu 11 použit jiný polymerní roztok, takže po sdružení vyrobených stužek 6 nanovláken vznikne složková nanovlákenná nit, vytvořená z nanovláken 5 ze dvou nebo i více odlišných polymerů.In this embodiment, a different polymer solution can be used for each disc spinning electrode 11, so that after joining the manufactured ribbons 6 of nanofibers, a component nanofiber thread is formed, formed from nanofibers 5 of two or more different polymers.

Pro výrobu jedné stužky 6 nanovláken s vyšší měrnou hmotností lze diskové zvlákňovací elektrody 11 uspořádat za sebou, jak je znázorněno na Obr. 6a v nárysu a na Obr. 6b v půdorysu, kde jsou znázorněny tři diskové zvlákňovací elektrody 11a, 11b, 11c, z nichž každá pracuje stejně jako samostatná disková zvlákňovací elektroda 11, jak je znázorněno na Obr. 1b, 2a a Obr. 3 a popsáno výše. Zejména z důvodu zkrácení délky zvlákňovacího zařízení jsou diskové zvlákňovací elektrody 11a, 11b, 11c vzájemně částečně přesazené, takže v nárysném pohledu druhá disková zvlákňovací elektroda 11b překrývá přední částí svého obvodu zadní část obvodu první diskové zvlákňovací elektrody 11a a svojí zadní částí překrývá přední část obvodu třetí diskové zvlákňovací elektrody 11c. Vzájemným přesazením diskových zvlákňovacích elektrod 11a, 11b, 11c se zmenšuje prověšování stužky 6 nanovláken mezi diskovými zvlákňovacími elektrodami 11a, 11b, 11c. Zvlákňování probíhá v horní části jednotlivých diskových zvlákňovacích elektrod 11a, 11b, 11c,To produce a single ribbon 6 of nanofibers with a higher specific gravity, the disc spinning electrodes 11 can be arranged one behind the other, as shown in Fig. 6a in elevation and in Fig. 6b in plan view, showing three disk spinning electrodes 11a, 11b, 11c, each of which operates in the same way as a separate disk spinning electrode 11 as shown in FIG. 1b, 2a and Fig. 3 and described above. In particular, due to the shortening of the length of the spinning device, the disk spinning electrodes 11a, 11b, 11c are partially offset from each other, so that in the front view, the second disk spinning electrode 11b overlaps the front part of its circuit with the rear part of the circuit of the first disk spinning electrode 11a and with its rear part it overlaps the front part of the circuit third disc spinning electrodes 11c. By mutual displacement of the disk spinning electrodes 11a, 11b, 11c, the sagging of the ribbon 6 of nanofibers between the disk spinning electrodes 11a, 11b, 11c is reduced. Spinning takes place in the upper part of the individual disc spinning electrodes 11a, 11b, 11c,

- 11 CZ 2022 - 248 A3 přičemž stužka 6 nanovláken je odtahována od první diskové zvlákňovací elektrody 11a přes druhou diskovou zvlákňovací elektrodu 11b a třetí diskovou zvlákňovací elektrodu 11c k navíjení na cívku, nebo k dalšímu zpracování. Zvyšování intenzity elektrického pole po délce odtahované stužky 6 nanovláken se dosahuje například snižováním tloušťky za sebou následujících diskových zvlákňovacích elektrod 11a, 11b, 11c, nebo úpravou vysokého střídavého napětí na jednotlivých diskových zvlákňovacích elektrodách.- 11 CZ 2022 - 248 A3 while the ribbon 6 of nanofibers is pulled from the first disk spinning electrode 11a through the second disk spinning electrode 11b and the third disk spinning electrode 11c to be wound on a spool or for further processing. Increasing the intensity of the electric field along the length of the pulled ribbon 6 of nanofibers is achieved, for example, by reducing the thickness of successive disk spinning electrodes 11a, 11b, 11c, or by adjusting the high alternating voltage on the individual disk spinning electrodes.

Další alternativou zařízení pro výrobu stužky 6 nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním je zařízení s pásovou zvlákňovací elektrodou 12 znázorněnou na Obr. 7a, 7b. Zařízení obsahuje zásobník 2 polymerního roztoku, do něhož dolní částí svého obvodu zasahuje převíjecí hřídel 8 spřažený s pohonem 81. Nad převíjecím hřídelem 81 je ve zvlákňovací komoře 4 na rámu zařízení pevně uložen břit 121, například pomocí vzpěr 82. Převíjecí hřídel 81 je společně s břitem 121 opásán nekonečným pásem 122, který vystupuje z polymerního roztoku 21 a nad převíjecím hřídelem 8 se ohýbá přes břit 121. Pás 122 vynáší polymerní roztok Z ze zásobníku 2 a ohyb pásu 122 tvoří zvlákňovací oblast 120 pásové zvlákňovací elektrody 12, která je připojena ke zdroji střídavého elektrického napětí. Střídavé elektrické napětí může být přivedeno do polymerního roztoku Z v zásobníku 2, nebo na břit 121. Na zvlákňovací oblasti 120 pásové zvlákňovací elektrody 12 dochází k tvorbě Taylorových kuželů, z nichž se vydlužují nanovlákna 5, která jsou účinkem elektrického větru unášena vzhůru k virtuálnímu kolektoru 7, přičemž se pohybují zvlákňovacím prostorem 41 v jednom rovinném plošném útvaru. V místě virtuálního kolektoru 7 se nanovlákna 5 shromažďují a zhutní se do hmotného útvaru tvořícího stužku 6 nanovláken, která je z virtuálního kolektoru 7 odtahována známým blíže neznázorněným způsobem a navíjena na cívku, nebo je přivedena do zařízení pro výrobu nanovlákenné niti, které bude popsáno později.Another alternative of the device for the production of the ribbon 6 of nanofibers by alternating electrospinning is the device with the strip spinning electrode 12 shown in Fig. 7a, 7b. The device contains a reservoir 2 of a polymer solution, into which the lower part of its circumference reaches the rewinding shaft 8 coupled to the drive 81. Above the rewinding shaft 81, in the spinning chamber 4 on the frame of the device, a blade 121 is firmly fixed, for example by means of struts 82. The rewinding shaft 81 is together with edge 121 girded by an endless belt 122, which emerges from the polymer solution 21 and bends over the winding shaft 8 over the edge 121. The belt 122 carries the polymer solution Z from the reservoir 2, and the bend of the belt 122 forms the spinning area 120 of the belt spinning electrode 12, which is connected to sources of alternating electrical voltage. An alternating electric voltage can be supplied to the polymer solution Z in the reservoir 2, or to the edge 121. Taylor cones are formed on the spinning area 120 of the strip spinning electrode 12, from which the nanofibers 5 are elongated, which are carried upwards to the virtual collector by the effect of the electric wind 7, while they move through the spinning space 41 in one planar surface formation. In the place of the virtual collector 7, the nanofibers 5 are collected and compacted into a material formation forming a ribbon 6 of nanofibers, which is pulled from the virtual collector 7 in a known manner, not shown in detail, and wound on a coil, or is brought to a device for the production of a nanofiber thread, which will be described later .

Podobně jako u diskové zvlákňovací elektrody 11 může být šířka břitu 122 větší, takže se na široké pásové zvlákňovací elektrodě 12 dvě zvlákňovací oblasti 120 na obou jejích okrajích, na nichž se vytvářejí Taylorovy kužele a nanovlákna 5 jsou ze zvlákňovacích oblastí 120 unášena ve směru maximálního gradientu elektrických polí, a to ve dvou rovinných plošných útvarech, které v řezu vytvářejí písmeno „V“, do oblastí virtuálních kolektorů 7, jejichž vzájemná vzdálenost je větší, než šířka břitu 122 pásové zvlákňovací elektrody 12. U tohoto zařízení se vytvářejí dvě stužky 6 nanovláken, které mají stejné vlastnosti a mohou být dále navíjeny samostatně, nebo se mohou sdružit a navíjet společně, nebo mohou být přiváděny do zařízení pro výrobu niti. Toto provedení není znázorněno. Kuželové plochy se budou deformovat působením gravitace jako v předchozích případech.Similar to the disk spinning electrode 11, the width of the edge 122 can be larger, so that on the wide strip spinning electrode 12, two spinning regions 120 on both of its edges, on which Taylor cones are formed, and the nanofibers 5 are entrained from the spinning regions 120 in the direction of the maximum gradient electric fields, namely in two planar flat formations that create the letter "V" in cross-section, to the regions of virtual collectors 7, the mutual distance of which is greater than the width of the edge 122 of the strip spinning electrode 12. In this device, two ribbons 6 of nanofibers are created , which have the same properties and can be further wound separately, or they can be grouped together and wound together, or they can be fed to the thread production equipment. This embodiment is not shown. The conical surfaces will be deformed by the action of gravity as in the previous cases.

Další alternativou zařízení pro výrobu stužky 6 nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním je zařízení s přeplavovací zvlákňovací elektrodou 13 znázorněnou na Obr. 8a, 8b. Zařízení obsahuje zásobník 2 polymerního roztoku Z, v němž je svisle umístěn přívod 131 polymerního roztoku Z. Na horním konci přívodu 131 polymerního roztoku je uspořádána přeplavovací elektroda 13, přičemž přívod 131 je vyústěn na jejím horním čele. Kolem ústí přívodu 131 polymerního roztoku je vytvořena přeplavovací plocha 132, která se mírně svažuje od ústí přívodu 131 polymerního roztoku k okraji přeplavovací elektrody 13 a je zakončena obvodovou hranou 133, na níž dochází k tvorbě Taylorových kuželů, z nichž se vydlužují nanovlákna 5, která jsou účinkem elektrického větru unášena zvlákňovacím prostorem 41 v radiálním směru od obvodové hrany 133 přeplavovací elektrody 13 a shromažďují se v místě virtuálního kolektoru 7, kde se zhutní do hmotného útvaru tvořícího stužku 6 nanovláken, která je z virtuálního kolektoru 7 odtahována v tečném směru a dále navíjena na neznázorněnou cívku nebo zpracovávána na nit. Virtuální kolektor 7 vzniká ve skutečnosti v místě rovnováhy elektrických a gravitačních sil, přičemž působí i síla elektrického větru od přívodu 131 polymerního roztoku Z směrem vzhůru, takže vzniká kuželový plošný útvar směřující vzhůru. Tento útvar se navíc ještě deformuje působením gravitační síly.Another alternative of the device for the production of the ribbon 6 of nanofibers by alternating electrospinning is the device with the overflow spinning electrode 13 shown in Fig. 8a, 8b. The device contains a reservoir 2 of polymer solution Z, in which a supply 131 of polymer solution Z is vertically placed. An overflow electrode 13 is arranged at the upper end of the supply 131 of the polymer solution, while the supply 131 opens at its upper end. An overflow surface 132 is formed around the mouth of the polymer solution supply 131, which slopes slightly from the mouth of the polymer solution supply 131 to the edge of the overflow electrode 13 and ends with a peripheral edge 133, on which Taylor cones are formed, from which nanofibers 5 are elongated, which due to the effect of electric wind, they are carried by the spinning space 41 in the radial direction from the peripheral edge 133 of the overflow electrode 13 and are collected at the place of the virtual collector 7, where they are compacted into a material structure forming a ribbon 6 of nanofibers, which is pulled away from the virtual collector 7 in a tangential direction and further wound on a spool (not shown) or processed into thread. The virtual collector 7 is actually formed at the point of balance of electric and gravitational forces, while the force of the electric wind from the inlet 131 of the polymer solution Z is also acting upwards, so that a conical planar structure directed upwards is formed. In addition, this formation is deformed by the action of gravitational force.

Další alternativou zařízení pro výrobu stužky 6 nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním je zařízení, u něhož je lineární zvlákňovací elektroda 14 tvořena nekonečným lineárním flexibilním útvarem, který je u prvního provedení uložen na dvou otočně uložených cívkách 141 spřažených s neznázorněným pohonem. Alespoň jedna z cívek 141 zasahuje částí svého obvodu do zásobníku 2Another alternative of the device for producing a ribbon 6 of nanofibers by alternating electrospinning is a device in which the linear spinning electrode 14 is formed by an endless linear flexible structure, which in the first embodiment is placed on two rotatably placed coils 141 coupled to a drive (not shown). At least one of the coils 141 extends part of its circumference into the magazine 2

- 12 CZ 2022 - 248 A3 polymerního roztoku Z. Ve znázorněném provedení má každá cívka 141 svůj zásobník 2 polymerního roztoku.- 12 CZ 2022 - 248 A3 of polymer solution Z. In the embodiment shown, each coil 141 has its own reservoir 2 of polymer solution.

Lineární flexibilní útvar tvořící lineární zvlákňovací elektrodu 14 může být tvořen například strunou, páskem, řemínkem, nebo útvarem s členitějším povrchem složeným z několika vzájemně spletených nebo propletených částí, jako např. lankem, šňůrou, vícežílovým útvarem, apod. Stejně jako u předcházejících provedení se na lineární zvlákňovací elektrodě 14 vytvoří zvlákňovací oblast 140 konečné délky, která je otevřena ve směru zvlákňování. Ve střední části zvlákňovací oblasti 140 se vytvoří úzký plošný útvar polymerního roztoku Z a intenzita E elektrického pole se nastaví na nadkritickou hodnotu, při níž se vytvářejí nanovlákna 5. Nanovlákna 5 se od zvlákňovací oblasti 140 pohybují v plošném útvaru ve směru maximálního gradientu elektrických sil, ve znázorněném provedení tedy ve vertikální rovině. Nanovlákna 5 postupně ztrácejí svoji kinetickou energii a v místě s nulovou kinetickou energií vytvářejí nanovlákna 5 lineární virtuální kolektor 7, v němž se nanovlákna 5 zastavují, shromažďují a zhutňují do stužky 6 nanovláken. Lineární flexibilní útvar tvořící lineární zvlákňovací elektrodu 14 je nekonečný a je v provedení podle Obr. 9 uložen na dvou cívkách 141, které jsou patřeny drážkami pro dočasné uložení lineární zvlákňovací elektrody 14, přičemž rozměry a tvar příčného průřezu drážky odpovídá rozměru a tvaru lineární zvlákňovací elektrody 14. Cívky 141 jsou uloženy částí svého obvodu v polymerním roztoku Z. Úsek lineární zvlákňovací elektrody 14 mezi cívkami 141, tvoří zvlákňovací oblast 140. U provedení lineární zvlákňovací elektrody 14, u které je polymerní roztok Z ve zvlákňovací oblasti 140 na celém obvodu lineární zvlákňovací elektrody 14, jak je znázorněno na Obr. 9c, je pod zvlákňovací oblastí 140 uspořádána stínicí lišta 142, která brání vytváření nadkritické hodnoty E elektrického pole mimo horní část lineární zvlákňovací elektrody 14, takže v některých případech obklopuje stínicí lišta 142 i boční části lineární zvlákňovací elektrody 14. Všechna vytvářená nanovlákna 5 pak vznikají zejména uprostřed zvlákňovací oblasti 140, která je přímková, a jsou od zvlákňovací oblasti 140 unášena vzhůru ve směru maximálního gradientu elektrického pole v rovinném plošném útvaru ve vertikálním směru, přičemž postupně ztrácejí svoji kinetickou energii a v místě s nulovou kinetickou energií vytvoří nanovlákna 5 lineární virtuální kolektor 7, v němž se nanovlákna 5 zastavují, shromažďují a zhutňují do lineární stužky 6 nanovláken, která se odtahuje.The linear flexible structure forming the linear spinning electrode 14 can be formed, for example, by a string, a tape, a strap, or a structure with a more fragmented surface composed of several mutually intertwined or intertwined parts, such as a cable, a cord, a multi-core structure, etc. As in the previous embodiments, on the linear spinning electrode 14 creates a spinning region 140 of finite length which is open in the spinning direction. In the central part of the spinning region 140, a narrow flat formation of the polymer solution Z is formed, and the intensity E of the electric field is set to a supercritical value, at which the nanofibers 5 are formed. The nanofibers 5 move from the spinning region 140 in the flat formation in the direction of the maximum gradient of electric forces, in the embodiment shown, i.e. in a vertical plane. The nanofibers 5 gradually lose their kinetic energy, and in a place with zero kinetic energy, the nanofibers 5 create a linear virtual collector 7, in which the nanofibers 5 stop, collect and compact into a ribbon 6 of nanofibers. The linear flexible structure forming the linear spinning electrode 14 is endless and is designed according to Fig. 9 is placed on two coils 141, which can be seen by grooves for temporary placement of the linear spinning electrode 14, while the dimensions and shape of the cross-section of the groove corresponds to the size and shape of the linear spinning electrode 14. The coils 141 are placed with part of their circumference in the polymer solution Z. The linear spinning section electrodes 14 between the coils 141, form the spinning region 140. In the embodiment of the linear spinning electrode 14, in which the polymer solution Z is in the spinning region 140 on the entire circumference of the linear spinning electrode 14, as shown in Fig. 9c, a shielding bar 142 is arranged under the spinning area 140, which prevents the creation of a supercritical value E of the electric field outside the upper part of the linear spinning electrode 14, so that in some cases the shielding bar 142 also surrounds the side parts of the linear spinning electrode 14. All the created nanofibers 5 are then created especially in the middle of the spinning area 140, which is a straight line, and are carried upward from the spinning area 140 in the direction of the maximum gradient of the electric field in a planar planar structure in the vertical direction, while gradually losing their kinetic energy, and at a place with zero kinetic energy, the nanofibers 5 form a linear virtual the collector 7, in which the nanofibers 5 stop, collect and compact into a linear ribbon 6 of nanofibers, which is pulled away.

Na Obr. 10a, 10b je lineární zvlákňovací elektroda 14 tvořena rovněž nekonečným lineárním flexibilním útvarem. U tohoto provedení je použit jeden společný zásobník 2 polymerního roztoku, do něhož zasahují částí svého obvodu obě kladka 141, lineární zvlákňovací elektroda 14 se pohybuje jedním směrem a na konci zvlákňovací oblasti 140 opásává vratnou kladku 141 a vrací se zpět do zásobníku 2 polymerního roztoku a přes vynášecí kladku 141 přichází znovu do zvlákňovací oblasti 140. I u tohoto provedení může být pro některé lineární flexibilní útvary použita stínicí lišta 142. Výše popsaná část platí pro lineární zvlákňovací elektrody 14 tvořené úzkými lineárními flexibilními útvary, na nichž je polymerní roztok Z nanesen na celém jejich obvodu.In Fig. 10a, 10b, the linear spinning electrode 14 is also formed by an endless linear flexible structure. In this embodiment, one common reservoir 2 of the polymer solution is used, into which both rollers 141 extend with a part of its circumference, the linear spinning electrode 14 moves in one direction and at the end of the spinning area 140 it surrounds the return roller 141 and returns back to the reservoir 2 of the polymer solution and via the delivery roller 141 it comes again to the spinning area 140. Even in this embodiment, a shielding bar 142 can be used for some linear flexible formations. The part described above applies to the linear spinning electrodes 14 formed by narrow linear flexible formations on which the polymer solution Z is applied to their entire circumference.

U provedení podle Obr. 11 je lineární zvlákňovací elektroda 14 tvořena širokým páskem 143, v jehož centrální části je vytvořeno vybrání 1431, které vytváří na okrajích pásku výstupky 1432, na nichž se podobně jako u provedení podle Obr. 2c vytvoří zvlákňovací oblasti. Z obou zvlákňovacích oblastí 140 jsou nanovlákna unášena ve směru maximálního gradientu elektrických polí, a to ve dvou rovinných plošných útvarech, které v řezu vytvářejí písmeno „V“, do oblastí virtuálních kolektorů 7, jejichž vzájemná vzdálenost je větší, než vzdálenost výstupků 1432. U tohoto zařízení se vytvářejí dvě stužky 6 nanovláken, které mají stejné vlastnosti a mohou být dále navíjeny samostatně, nebo se mohou sdružit a navíjet společně, nebo mohou být přiváděny do zařízení pro výrobu niti.In the design according to Fig. 11, the linear spinning electrode 14 is formed by a wide strip 143, in the central part of which a recess 1431 is formed, which creates protrusions 1432 on the edges of the strip, on which, similarly to the embodiment according to Fig. 2c creates spinning regions. From both spinning regions 140, the nanofibers are entrained in the direction of the maximum gradient of the electric fields, namely in two flat planar formations that form the letter "V" in cross-section, to the regions of virtual collectors 7, the mutual distance of which is greater than the distance of the protrusions 1432. U of this device, two ribbons of 6 nanofibers are created that have the same properties and can be further wound separately, or they can be bundled and wound together, or they can be fed into a thread production device.

U provedení podle Obr.12 je lineární zvlákňovací elektroda 14 tvořena plochým páskem 144, něhož jsou zvlákňovací oblasti vytvořeny na jeho okrajích 1441. Vzhledem k tomu, že tloušťka pásku 144 je ve srovnání s jeho šířkou malá, směřuje maximální gradient elektrického pole z okrajů pásku do stran. Dalším důvodem se skutečnost, že prostředí nad plochým 144 páskem i pod ním jeIn the embodiment according to Fig. 12, the linear spinning electrode 14 is formed by a flat strip 144, of which the spinning regions are formed on its edges 1441. Since the thickness of the strip 144 is small compared to its width, the maximum gradient of the electric field is directed from the edges of the strip to the sides. Another reason is the fact that the environment above and below the flat 144 tape is

- 13 CZ 2022 - 248 A3 stejné, takže nedohází k vychylování maximálního gradientu elektrického pole. Tím se z vyráběných nanovláken vytvářejí dva rovinné plošné útvary, které končí v příslušných neznázorněných virtuálních kolektorech, kde jsou vytvářen dvě stužky nanovláken, které jsou odtahovány stejně jako u předcházejících provedení. Vzhledem působení gravitačních sil, budou rovinné plošné útvary těmito silami deformovány, stejně jako u ostatních provedení.- 13 CZ 2022 - 248 A3 the same, so it does not catch up to the deviation of the maximum gradient of the electric field. In this way, two planar surface structures are created from the produced nanofibers, which end in the corresponding virtual collectors, not shown, where two ribbons of nanofibers are created, which are pulled away in the same way as in the previous embodiments. Due to the action of gravitational forces, planar surface formations will be deformed by these forces, just like in other designs.

Zařízení pro kontinuální výrobu nanovlákenné niti 60 ze stužky 6 nanovláken bude objasněno a popsáno v kombinaci s otočnou diskovou zvlákňovací elektrodou 11 pro výrobu stužky 6 nanovláken, jak je znázorněno na Obr. 13. Stužka 6 nanovláken je z virtuálního kolektoru 7 diskové zvlákňovací elektrody 11 odváděna do zařízení 9 pro výrobu nanovlákenné niti 60, které ve znázorněném provedení obsahuje převáděcí kladku 91, za níž je ve směru pohybu stužky 6 nanovláken uspořádáno první odtahové ústrojí 92 stužky 6 nanovláken. Za prvním odtahovým ústrojím stužky 6 nanovláken je uspořádáno zákrutové ústrojí 93 pro vytváření nepravého zákrutu, za nímž je druhé odtahové ústrojí 94, za kterým je zařazena sušicí a/nebo fixační jednotka 95, za níž je třetí odtahové ústrojí 96, za kterým je uspořádáno navíjecí zařízení 97.An apparatus for the continuous production of a nanofibrous thread 60 from a ribbon of nanofibers 6 will be explained and described in combination with a rotating disc spinning electrode 11 for the production of a ribbon of nanofibers 6, as shown in FIG. 13. The ribbon 6 of nanofibers is led from the virtual collector 7 of the disk spinning electrode 11 to the device 9 for the production of nanofiber thread 60, which in the illustrated embodiment contains a transfer roller 91 behind which the first withdrawal device 92 of the ribbon 6 nanofibers is arranged in the direction of movement of the ribbon 6 of nanofibers . A twisting device 93 for creating a false twist is arranged behind the first take-off device of the nanofiber ribbon 6, behind which there is a second take-off device 94, behind which a drying and/or fixing unit 95 is included, behind which there is a third take-off device 96, behind which there is a winding device 97.

Stužka 6 nanovláken je z virtuálního kolektoru 7 diskové zvlákňovací elektrody 11 přes převáděcí kladku 91 odtahována prvním odtahovým ústrojím 92 a vstupuje do zákrutového ústrojí 93, v němž prochází zakrucovacím členem 931, například krutnou trubkou, jímž je jí udělován nepravý zákrut. Ze zákrutového ústrojí 93 je zakroucená stužka 6 nanovláken odváděna druhým odtahovým ústrojím 94. Zákrut je stužce 6 nanovláken udělován zakrucovacím členem 931 zákrutového ústrojí 93 mezi dvěma svěrnými místy, tvořenými prvním odtahovým ústrojím 92 a druhým odtahovým ústrojím 94. Mezi prvním odtahovým ústrojím 92 a zákrutovým ústrojím 93 se zákrut vytváří a mezi zákrutovým ústrojím 93 a druhým odtahovým ústrojím 94 se zákrut rozkrucuje, přičemž vzhledem k vysokému měrnému povrchu nanovláken 5 a vazebním silám mezi jednotlivými nanovlákny 5 se i po rozkroucení zachovává poměrně vysoký stupeň zákrutu jako zbytkový zákrut, čímž se vytvoří nanovlákenná nit 60. Nanovlákenná nit 60 je z druhého odtahového ústrojí 94 odváděna třetím odtahovým ústrojím 96 přes sušicí a/nebo fixační jednotku 95, v níž se odpaří zbytek rozpouštědla a v případě potřeby je nanovlákenná nit 60 tepelně fixována. Ze třetího odtahového ústrojí 96 je nanovlákenná nit 60 vedena do navíjecího zařízení 97, v němž je některým ze známých způsobů navíjena na cívku.The ribbon 6 of nanofibers is pulled from the virtual collector 7 of the disk spinning electrode 11 via the transfer roller 91 by the first pull-off device 92 and enters the twisting device 93, in which it passes through the twisting member 931, for example a cruel tube, which gives it a wrong twist. From the twisting device 93, the twisted ribbon 6 of nanofibers is removed by the second withdrawal device 94. The twist is given to the ribbon 6 of nanofibers by the twisting member 931 of the twisting device 93 between two clamping points formed by the first withdrawal device 92 and the second withdrawal device 94. Between the first withdrawal device 92 and the twisting device the twist is created by the device 93 and between the twist device 93 and the second pull-off device 94 the twist is untwisted, while due to the high specific surface of the nanofibers 5 and the binding forces between the individual nanofibers 5, a relatively high degree of twist is retained as a residual twist even after untwisting, which creates nanofibrous thread 60. The nanofibrous thread 60 is removed from the second exhaust device 94 by the third exhaust device 96 through the drying and/or fixing unit 95, in which the solvent residue is evaporated and, if necessary, the nanofibrous thread 60 is thermally fixed. From the third take-off device 96, the nanofibrous thread 60 is led to the winding device 97, in which it is wound onto a spool by some of the known methods.

Stužka nanovláken může být přitom vyrobena na libovolném z výše popsaných zařízení.At the same time, the ribbon of nanofibers can be produced on any of the devices described above.

Zařízení 9 pro výrobu nanovlákenné niti 60 ze stužky 6 nanovláken může být uspořádáno i jiným vhodným způsobem, například může obsahovat zařízení k vytváření trvalého zákrutu.The device 9 for producing the nanofibrous thread 60 from the ribbon 6 of nanofibers can also be arranged in another suitable way, for example it can include a device for creating a permanent twist.

Nebo může být výroba nanovlákenné niti ze stužky nanovláken prováděna na zvláštním zařízení ze stužky nanovláken navinuté na cívku v další operaci.Or, the production of the nanofiber thread from the nanofiber ribbon can be carried out on a special device from the nanofiber ribbon wound on a spool in another operation.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Způsobem výroby nanovláken střídavým zvlákňováním podle vynálezu lze vyrobit dostatečné množství nanovláken a vytvořit z nich stužku nanovláken, která je schopná odtahování a navíjení na cívku, přičemž je schopna i odvíjení z cívky za účelem jejího použití nebo dalšího zpracování.With the method of producing nanofibers by alternating spinning according to the invention, a sufficient amount of nanofibers can be produced and a ribbon of nanofibers can be created from them, which is capable of being pulled off and wound onto a spool, while also being able to be unwound from the spool for the purpose of its use or further processing.

Claims (26)

1.1. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny poly meru na zvlákňovací elektrodě (1), u něhož se nanovlákna (5) vytvářejí z polymerního roztoku (Z) nebo taveniny polymeru ve zvlákňovací oblasti (10) vytvořené na zvlákňovací elektrodě (1) a půso bením elektrického větru jsou od ní unášena, vyznačující se tím, že ve zvlákňovací oblasti (10) se vytvoří úzký plošný lineární útvar polymerního roztoku nebo taveniny, který má konečnou délku a je otevřený ve směru zvlákňování a ve zvlákňovací oblasti (10) se po její délce vytvoří nadkritická intenzita (E) elektrického pole, při níž se vytvářejí nanovlákna (5), která se od zvlákňovací oblasti (10) pohybují v plošném útvaru, v němž postupně ztrácejí svoji kinetickou energii a v místě s nulo vou kinetickou energií vytvoří nanovlákna (5) lineární virtuální kolektor (7), v němž se nanovlákn a (5) zastavují, shromažďují a zhutňují do lineárního nanovlákenného útvaru, tzv. stužky (6) nanov láken, která se odtahuje.A method of producing nanofibers by alternating electrospinning of a polymer solution or melt on the spinning electrode (1), in which the nanofibers (5) are formed from the polymer solution (Z) or polymer melt in the spinning region (10) formed on the spinning electrode (1) and driven by the electric wind, they are carried away from it, characterized by the fact that in the spinning region (10) a narrow planar linear formation of polymer solution or melt is formed, which has a finite length and is open in the direction of spinning, and in the spinning region (10) length will create a supercritical intensity (E) of the electric field, at which nanofibers (5) are formed, which move from the spinning region (10) in a planar formation, in which they gradually lose their kinetic energy and form nanofibers in a place with zero kinetic energy ( 5) linear virtual collector (7), in which nanofibers and (5) stop, collect and compact into a linear nanofiber formation, the so-called ribbon (6) of nanofibers, which is pulled away. 2.2. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 1, vyznačující se tím, že virtuální kolektor (7) se vytvoří v místě silové rovnováhy všech elektrických a gravitačn ích sil, působících na vytvořená nanovlákna (5).The method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 1, characterized in that the virtual collector (7) is formed at the point of force balance of all electrical and gravitational forces acting on the created nanofibers (5). 3.3. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 1 nebo 2, vyzn ačující se tím, že zvlákňovací oblast (120) je přímá a z ní vycházející nanovlákna (5) se pohybu jí v rovinném plošném útvaru.The method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 1 or 2, characterized in that the spinning region (120) is straight and the nanofibers (5) emerging from it move in a planar surface formation. 4.4. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 1 nebo 2, vyzn ačující se tím, že zvlákňovací oblast (110) je tvořena částí kruhu na obvodu diskové zvlákňovací e lektrody (11) a z ní vycházející nanovlákna (5) se pohybují v rovinném plošném útvaru kolmém na osu otáčení diskové zvlákňovací elektrody (11), přičemž lineární virtuální kolektor (7) je tvořen č ástí kruhu.A method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 1 or 2, characterized in that the spinning area (110) is formed by a part of a circle on the circumference of the disc spinning electrode (11) and the nanofibers (5) emerging from it move in a planar plane perpendicular to on the axis of rotation of the disc spinning electrode (11), while the linear virtual collector (7) is formed by part of a circle. 5.5. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 3, vyznačující se tím, že se vytvoří dvě zvlákňovací oblasti (120) blízkosti okrajů zvlákňovací elektrody (11), v n ichž se nanovlákna (5) vytvářejí ve směru maximálních hodnot gradientu elektrického pole, přičem ž nanovlákna (5) vycházející z obou zvlákňovacích oblastí (120) se pohybují v kuželových plošný ch útvarech, které se ve směru pohybu nanovláken (5) od sebe vzdalují.The method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 3, characterized in that two spinning regions (120) are formed near the edges of the spinning electrode (11), in which the nanofibers (5) are formed in the direction of the maximum values of the electric field gradient, whereby the nanofibers (5) emanating from both spinning regions (120) move in conical flat formations that move away from each other in the direction of movement of the nanofibers (5). 6.6. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 4, vyznačující se tím, že se vytvoří dvě zvlákňovací oblasti (110) v blízkosti okrajů obvodové plochy diskové zvl ákňovací elektrody (11), v nichž se nanovlákna (5) vytvářejí ve směru maximálních hodnot gradie ntu elektrického pole, přičemž nanovlákna (5) vycházející z obou zvlákňovacích oblastí (110) se p ohybují v kuželových plošných útvarech, které se ve směru pohybu nanovláken (5) od sebe vzdalu jí.A method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 4, characterized in that two spinning regions (110) are formed near the edges of the peripheral surface of the disk spinning electrode (11), in which nanofibers (5) are formed in the direction of the maximum values of the gradient electric field, while the nanofibers (5) coming from both spinning areas (110) move in conical flat formations that move away from each other in the direction of movement of the nanofibers (5). 7.7. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle libovolného z předchá zejících nároků, vyznačující se tím, že odtahovaná stužka (6) nanovláken je navíjena na cívku v navíjecím zařízení (96).A method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to any one of the preceding claims, characterized in that the withdrawn ribbon (6) of nanofibers is wound on a spool in a winding device (96). 8.8. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 7, vyznačující se tím, že odtahované stužce (6) nanovláken se před navíjením uděluje zákrut.The method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 7, characterized in that the pulled ribbon (6) of nanofibers is given a twist before winding. - 15 CZ 2022 - 248 A3- 15 CZ 2022 - 248 A3 9.9. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 8, vyznačující se tím, že odtahované stužce (6) nanovláken se uděluje nepravý zákrut.The method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 8, characterized in that the drawn ribbon (6) of nanofibers is given a false twist. 10.10. Způsob výroby nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním podle nároku 8, vyznačující se tím, že odtahované stužce (6) nanovláken se uděluje trvalý zákrut.The method of producing nanofibers by alternating electrospinning according to claim 8, characterized in that the withdrawn ribbon (6) of nanofibers is given a permanent twist. 11.11. Zařízení k výrobě nanovláken střídavým elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny pol ymeru způsobem podle některého z předcházejících nároků, u něhož je na zvlákňovací elektrodě ( 1, 11, 12, 13, 14) připojené ke zdroji střídavého elektrického napětí vytvořena zvlákňovací oblast ( 10, 110, 120, 130, 140), vyznačující se tím, že na zvlákňovací oblasti (10, 110, 120, 130, 140) zvl ákňovací elektrody (1, 11, 12, 13, 14) je plošný lineární útvar polymerního roztoku, nebo taveniny polymeru, který má konečnou délku a je otevřený ve směru zvlákňování, tedy ve směru maximální ho gradientu elektrického pole, přičemž na celé délce zvlákňovací oblasti (10, 110, 120, 130, 140) je vytvořena nadkritická intenzita (E) elektrického pole, při níž se vytvářejí nanovlákna (5), která j sou ve směru maximálního gradientu elektrického pole unášena v plošném útvaru do lineárního vir tuálního kolektoru (7), v němž jsou zastavena a zhutněna do stužky (6) nanovláken, která je zavede na do odtahového a navíjecího zařízení.A device for the production of nanofibers by alternating electrical spinning of a polymer solution or melt according to one of the preceding claims, in which a spinning region (10, 110, 120, 130, 140), characterized by the fact that on the spinning area (10, 110, 120, 130, 140) of the spinning electrode (1, 11, 12, 13, 14) there is a flat linear formation of polymer solution or polymer melt , which has a finite length and is open in the direction of spinning, i.e. in the direction of the maximum gradient of the electric field, while a supercritical intensity (E) of the electric field is created over the entire length of the spinning region (10, 110, 120, 130, 140), at which nanofibers (5) are formed, which are carried in the direction of the maximum gradient of the electric field in a planar formation into the linear virtual collector (7), where they are stopped and compacted into a ribbon (6) of nanofibers, which leads them to the withdrawing and winding device. 12.12. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že zvlákňovací oblast (120, 140) zvlákňovací elektrody (12, 14) je přímá.Device according to claim 11, characterized in that the spinning area (120, 140) of the spinning electrode (12, 14) is straight. 13.13. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda je tvořena pásovou zvlákňovací elektrodou (12) a maximální gradient elektrického pole směřuje svisle vzhůru.Device according to claim 12, characterized in that the spinning electrode is formed by a strip spinning electrode (12) and the maximum gradient of the electric field is directed vertically upwards. 14.14. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda je tvořena lineární z vlákňovací elektrodou (14) tvořenou lineárním flexibilním útvarem.Device according to claim 12, characterized in that the spinning electrode is formed by a linear spinning electrode (14) formed by a linear flexible structure. 15.15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že lineárním flexibilním útvarem je lanko, ne bo tenký pásek nebo tenký řemínek.Device according to claim 14, characterized in that the linear flexible structure is a cable, not a thin strip or a thin strap. 16.16. Zařízení podle nároku 14 nebo 15, vyznačující se tím, že lineárním flexibilním útvarem tvoříc ím zvlákňovací elektrodu (14) je útvar složený z několika vzájemně spletených nebo propletených částí, přičemž pod zvlákňovací oblastí (140) je uspořádána stínicí lišta (142).Device according to claim 14 or 15, characterized in that the linear flexible structure forming the spinning electrode (14) is a structure composed of several mutually intertwined or intertwined parts, while a shielding bar (142) is arranged under the spinning area (140). 17. Zařízení podle nároků 12-17. Device according to claims 12- 14, vyznačující se tím, že na zvlákňovací elektrodě (1, 12, 14) jsou vytvořeny dvě zvlákňovací oblasti (10, 120, 140) v blízkosti jejích okrajů.14, characterized in that two spinning regions (10, 120, 140) are formed on the spinning electrode (1, 12, 14) near its edges. 18.18. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že na okrajích lineárního flexibilního útvaru t vořeného pásem jsou vytvořeny výstupky (1432), na nichž je koncentrován maximální gradient ele ktrického pole.Device according to claim 17, characterized in that projections (1432) are created on the edges of the linear flexible structure t formed by the belt, on which the maximum gradient of the electric field is concentrated. 19.19. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že lineární flexibilní útvar je plochý pásek a z vlákňovací oblasti (140) jsou vytvořeny na jeho okrajích, přičemž maximální gradient elektrického pole směřuje z okrajů pásku do stran ve vodorovném směru.Device according to claim 17, characterized in that the linear flexible structure is a flat strip and the fibering region (140) is formed at its edges, with the maximum gradient of the electric field directed from the edges of the strip to the sides in a horizontal direction. - 16 CZ 2022 - 248 A3- 16 CZ 2022 - 248 A3 20.20. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda je tvořena úzkou otoč nou diskovou zvlákňovací elektrodou (11), která dolní částí svého obvodu zasahuje do polymerníh o roztoku (Z) nebo taveniny v zásobníku (2) a na volné části obvodu diskové zvlákňovací elektrod y (11) se vytvoří zvlákňovací oblast (110), která je tvořena částí kruhu, přičemž maximální gradien t elektrického pole směřuje od zvlákňovací oblasti (110) v radiálním směru a nanovlákna (5) jsou unášena v rovinném plošném útvaru, z něhož se ve virtuálním kolektoru (7) vytvoří stužka (6) nan ovláken.The device according to claim 11, characterized in that the spinning electrode is formed by a narrow rotating disc spinning electrode (11), which with the lower part of its circumference extends into the polymer solution (Z) or melt in the reservoir (2) and on the free part of the disc circumference of the spinning electrodes (11), a spinning region (110) is formed, which is formed by a part of a circle, while the maximum gradient of the electric field is directed from the spinning region (110) in the radial direction, and the nanofibers (5) are entrained in a planar surface formation from which a ribbon (6) of nan fibers is formed in the virtual collector (7). 21.21. Zařízení podle nároku 20, vyznačující se tím, že otočná disková zvlákňovací elektroda (11) je uložena na společném hřídeli alespoň s jednou další otočnou diskovou zvlákňovací elektrodou ( 11).Device according to claim 20, characterized in that the rotating disk spinning electrode (11) is mounted on a common shaft with at least one other rotating disk spinning electrode (11). 22.22. Zařízení podle nároku 21, vyznačující se tím, že pro každou z otočných diskových zvlákňo vacích elektrod (11) se v zásobníku (2) polymerního roztoku nachází roztok jiného polymeru.Device according to claim 21, characterized in that for each of the rotating disk spinning electrodes (11) there is a solution of a different polymer in the reservoir (2) of the polymer solution. 23.23. Zařízení podle nároku 20, vyznačující se tím, že za první otočnou diskovou zvlákňovací ele ktrodou (11) je ve směru vytváření a odvádění stužky (6) nanovláken uložena alespoň jedna další d isková zvlákňovací elektroda (11).Device according to claim 20, characterized in that behind the first rotating disc spinning electrode (11) in the direction of formation and removal of the ribbon (6) of nanofibers, at least one other disc spinning electrode (11) is placed. 24.24. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že otočná zvlákňovací disková elektroda (11) m á větší šířku, takže na jejích okrajích jsou vytvořeny dvě zvlákňovací oblasti (110), které jsou tvoř eny částí kruhu a maximální gradient elektrického pole vytváří na obou okrajích diskové zvlákňov ací elektrody (11) kuželové plošné útvary, v nichž jsou unášena nanovlákna (5) do virtuálních kole ktorů (7), v nichž se vytvoří stužka (6) nanovláken, přičemž kuželové plošné útvary nanovláken (5 ) se od sebe vzdalují a vytvářejí v řezu písmeno „V“.Device according to claim 11, characterized in that the rotating spinning disk electrode (11) has a larger width, so that two spinning regions (110) are formed on its edges, which are formed by a part of a circle and the maximum gradient of the electric field is created on both edges disk spinning electrodes (11) conical surface formations in which nanofibers (5) are carried into virtual collectors (7) in which a ribbon (6) of nanofibers is formed, while the conical surface formations of nanofibers (5) move away from each other and they form the letter "V" in cross-section. 25. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda je tvořena přeplavovací zvlákňovací elektrodou (13), přičemž zařízení obsahuje zásobník (2) polymerního roztoku (Z), v němž je svisle umístěn přívod (131) polymerního roztoku (Z), na jehož horním konci je uspořádána přeplavovací elektroda (13), přičemž přívod (131) je vyústěn na jejím horním čele a kolem jeho ústí je vytvořena přeplavovací plocha (132), která se mírně svažuje od ústí přívodu (131) polymerního roztoku k okraji přeplavovací elektrody (13) a je zakončena obvodovou hranou (133), která tvoří zvlákňovací oblast (130) přeplavovací zvlákňovací elektrody (13), na níž se vydlužují nanovlákna (5), která jsou účinkem elektrického větru ve směru maximálního gradientu elektrického pole unášena zvlákňovacím prostorem (41) v radiálním směru od obvodové hrany (133) přeplavovací elektrody (13) a shromažďují se v místě virtuálního kolektoru (7), kde se zhutní do hmotného útvaru tvořícího stužku (6) nanovláken, která je z virtuálního kolektoru (7) odtahována v tečném směru k virtuálnímu kolektoru (7) a dále navíjena na cívku nebo zpracovávána na nit.25. The device according to claim 11, characterized in that the spinning electrode is formed by an overflow spinning electrode (13), while the device contains a reservoir (2) of polymer solution (Z), in which the supply (131) of polymer solution (Z) is placed vertically , at the upper end of which an overflow electrode (13) is arranged, while the inlet (131) opens on its upper face and an overflow surface (132) is formed around its mouth, which slopes slightly from the mouth of the inlet (131) of the polymer solution to the edge overflow electrode (13) and is terminated by a peripheral edge (133), which forms the spinning area (130) of the overflow spinning electrode (13), on which the nanofibers (5) are elongated, which are carried by the spinner due to the effect of the electric wind in the direction of the maximum electric field gradient through the space (41) in the radial direction from the peripheral edge (133) of the overflow electrode (13) and are collected at the point of the virtual collector (7), where they are compacted into a material formation forming a ribbon (6) of nanofibers, which is from the virtual collector (7) drawn off in a tangential direction to the virtual collector (7) and further wound onto a coil or processed into a thread. 26. Zařízení k výrobě nanovlákenné niti, vyznačující se tím, že stužka (6) nanovláken je ze zvlákňovacího zařízení odváděna do zařízení (9) pro výrobu nanovlákenné niti, které obsahuje zakrucovací prostředek pro vytváření nepravého nebo trvalého zákrutu a následně je vedena do navíjecího zařízení.26. Device for the production of nanofibrous thread, characterized in that the ribbon (6) of nanofibers is led from the spinning device to the device (9) for the production of nanofibrous thread, which contains a twisting means for creating a false or permanent twist and is subsequently led into the winding device .
CZ2022-248A 2022-06-09 2022-06-09 A method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread CZ2022248A3 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2022-248A CZ2022248A3 (en) 2022-06-09 2022-06-09 A method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread
PCT/CZ2023/050023 WO2023237139A1 (en) 2022-06-09 2023-04-28 A method of producing a linear nanofibrous structure in an alternating electric field, a device for performing this method and a device for producing a nanofibrous thread

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2022-248A CZ2022248A3 (en) 2022-06-09 2022-06-09 A method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ2022248A3 true CZ2022248A3 (en) 2023-12-20

Family

ID=86851543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2022-248A CZ2022248A3 (en) 2022-06-09 2022-06-09 A method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread

Country Status (2)

Country Link
CZ (1) CZ2022248A3 (en)
WO (1) WO2023237139A1 (en)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4143196A (en) * 1970-06-29 1979-03-06 Bayer Aktiengesellschaft Fibre fleece of electrostatically spun fibres and methods of making same
CZ20032421A3 (en) * 2003-09-08 2004-11-10 Technická univerzita v Liberci Process for producing nanofibers of polymer solution by electrostatic spinning and apparatus for making the same
CN102137962B (en) * 2008-06-24 2013-05-22 斯泰伦博斯大学 Method and apparatus for the production of fine fibres
CZ304137B6 (en) * 2012-12-17 2013-11-13 Technická univerzita v Liberci Process for preparing polymeric nanofibers by spinning a solution of polymer melt in electric field and linear form of polymeric nanofibers prepared in such a manner
CZ2015382A3 (en) * 2015-06-05 2017-01-18 Technická univerzita v Liberci A linear fibre formation with a case of polymeric nanofibres enveloping the supporting linear formation constituting the core, the method and equipment for its production
CN112981556B (en) * 2021-02-08 2022-05-17 华南理工大学 Electrostatic spinning fiber collecting device and method for preparing nanofiber membrane with radial orientation structure

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023237139A1 (en) 2023-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104032423B (en) A kind of device of electrostatic spinning nano fiber covering yarn and its application
CN103132194A (en) Orientation electro-spinning nanometer fiber spinning method and device thereof
CN102703998B (en) Jet yarn spinning device for electrostatic spun nano fiber and preparing method
CN108286101B (en) A kind of complex yarn manufacturing process of built-in powder body material
US2116942A (en) Method and apparatus for the production of fibers
CZ2007179A3 (en) Linear fibrous formation containing polymeric nanofibers, process of its manufacture and apparatus for producing such formation su
EP2092095B1 (en) A yarn and a process for manufacture thereof
CN109610068B (en) Electrostatic spinning nanofiber covering yarn repackaging filament yarn becomes yarn device
CN108350618B (en) Linear fiber formation and method and apparatus for making same
CZ305133B6 (en) Method of and device for producing linear fiber formation comprising nanofibers
CN100575572C (en) The continuously static spinning method of polyamide 6/66 copolymer filament yarns
EP3191631A1 (en) Device and method for preparing continuous nanofibrous yarns and bundles from electrospun fibers and fibrils
CN105658850A (en) Electrospun filaments
CN101280468A (en) Multi-needle V-shaped groove drum electrostatic spinning system and preparation of nano-fiber tuft
CN108796682A (en) A kind of device and Yarn spinning method of continuous high-efficient enhancing nanofiber resultant yarn
CN104695066A (en) Swiveling electrostatic spinning nanofiber yarn preparing device and nanofiber yarn preparing method
CN104711719A (en) Device for preparing electrospun nanofiber yarns by using rotary collector and preparation method thereof
CN110373727B (en) Online micro-nanofiber multistage core-spun composite spinning device and method
CN208485988U (en) It is a kind of to use electrostatic spinning to filament surface reforming system
Göktepe et al. Long path towards to success in electrospun nanofiber yarn production since 1930’s: a critical review
CN113652774B (en) Full-automatic intelligent control method and system for rotor spinning fasciated yarn
CN107326454A (en) A kind of method that electrostatic spinning prepares auxetic nano-fibre yams
CZ2022248A3 (en) A method of producing nanofibers by alternating electrospinning, a device for carrying out this method and a device for the production of a nanofiber thread
CN203112981U (en) Continuous preparation device of electrostatic orientation spinning nano fiber yarns
CN104988611A (en) Twister and electrostatic spinning apparatus using same